Развитие технологий дистанционного зондирования, а в частности методов лазерного сканирования, привело к появлению инновационных методов оценки состояния лесов и лесных ресурсов. В последнее время появились возможности делать это эффективнее, быстрее, и в больших масштабах с помощью лидарной съемки. Лидар (Light Detection and Ranging) — это технология измерения расстояний до объектов путем излучения света и определения времени возврата отраженного света.
В последние годы интерес к оценке биомассы растительности повысился, так как биомасса может быть переведена в запасы углерода, а это важно для подсчета углеродного бюджета и лучшего понимания глобального углеродного цикла. Запасы и потоки углерода в лесных геосистемах напрямую связаны с биомассой. Большое количество исследований подтвердило, что лидарная съемка способна дать достаточно верную оценку надземной биомассы лесных сообществ, верно определяя высоту деревьев и структуру леса. Оценка точности подсчета биомассы при помощи лидарного сканирования в публикациях часто оценивается как 80%-95%.
Лидарная съемка помогает избежать трудоемких полевых работ и оценить биомассу в недоступных регионах с помощью относительно недорогих и автоматизированных систем. Ее можно с успехом применять для определения надземной биомассы лесных сообществ на региональном уровне, а также для оценки лесных ресурсов удаленных и труднодоступных регионов. Приборы, осуществляющие лидарную съемку из космоса, с воздуха и с земли, измеряют характеристики лесных систем, которые ранее были недостижимы.
Конечно, напрямую биомассу лидаром не измерить. Обычно биомассу вычисляют по формуле b×dbh2×h где dbh – это диаметр ствола на высоте груди, а b – это коэффициент, зависящий от породы дерева. Показано, что высота деревьев значительно коррелирует с диаметром ствола на уровне груди, поэтому этот показатель вычисляется с учетом связи с высотой дерева, которая определяется измерениями в поле. В общем случае для оценки биомассы высота деревьев, значения которой находят при обработке данных лидара, вводится в пошаговую множественную линейную регрессию, на основе которой уже рассчитывается биомасса. Размер кроны – характеристика, которую также можно получить при лидарной съемке – не используется непосредственно в процедуре оценки, но бывает полезным показателем при определении породы дерева.
Рассмотрим три вида лидарных данных для расчета биомассы в зависимости от метода съемки.
- Космическое лазерное сканирование предоставляет нам данные со спутников в глобальных масштабах.
- Воздушное лазерное сканирование проводится с летательных аппаратов (часто с БПЛА), и с ее помощью получают данные для региональных исследований.
- Наземное лазерное сканирование часто используется для создания локальных 3D-моделей объектов, например, деревьев.
Воздушное лазерное сканирование считается наиболее подходящим для получения точных данных о крупных лесных массивах. Именно по результатам воздушной съемки с помощью дополнительных полевых работ чаще всего проводится точная оценка высоты деревьев и размера кроны для оценки биомассы леса. Лазерная съемка с воздуха имеет преимущество переменной высоты полета и, следовательно, собирает наиболее точные данные с учетом рельефа. Наборы данных содержат точки растительности и точки рельефа, и для классификации облака точек разработано множество методов фильтрации, от выбора которых отчасти зависит точность результата.
Спутниковая лидарная съемка также хорошо показала себя во многих исследованиях по оценке биомассы лесов. Например, используются данные системы GLAS (Geosciences Laser Altimeter System), установленной на борту спутника ICESat (NASA), Изначально проект GLAS был предназначен для измерений высот ледового покрова Земли, однако технические характеристики позволили применить его для решения очень разных задач, в том числе и в сфере охраны природы. В 2019 были запущены еще два космических лидарных сканера – GEDI и ICESat-2, в целях которых уже была отмечена оценка биомассы. Спутниковые лидарные данные позволяют проводить оценку биомассы в глобальном масштабе, и с их помощью удается измерять морфологические признаки лесных сообществ, по которым далее можно оценить надземную биомассу.
Интересно, что сравнение полученных высот на основе спутниковых наблюдений GLAS с региональным набором данных воздушной съемки (Нидерланды, модель AHN) показало, что средние различия между высотами местности составляют менее 25 см над голой землей без застройки и городскими территориями. Над лесами различия еще меньше, но со слегка большим стандартным отклонением.
Также существует наземное сканирование, гораздо реже применяющееся для оценки биомассы. В контексте точной оценки биомассы наземное лазерное сканирование можно рассматривать как вспомогательную систему для воздушной и космической съемки – высокая плотность точек в наземных системах может помочь оценить результаты других систем. Кроме того, это позволяет детально моделировать характеристики растительности, особенно при оценке пород деревьев.
Сейчас системы лазерного сканирования активно используются для определения таких характеристик, как высота деревьев, размер кроны, диаметр ствола на высоте груди, виды деревьев, а также индекс площади листьев. Все еще есть некоторые существенные проблемы, такие как обработка огромного количества данных съемки и недостаток эмпирических исследований в малоисследованных регионах, но, вероятно, со временем эти вопросы будет проще решить. Исследования в сфере лидарной съемки в настоящее время сосредоточены на разработке надежных методик и уточнении существующих систем.
Текст составлен на основе главы из книги Biomass с актуализацией данных.
Материал подготовила Юлия Федорова.