Я уже делал на Хабре пост про поражения сибирских лесов опасным вредителем — уссурийским полиграфом. Этот чрезвычайно плодовитый и опасный жук способен за короткое время уничтожить огромные площади пихтовых лесов и, к сожалению, это получается у него куда лучше, нежели усилия людей по борьбе с опасным насекомым. Основной проблемой мониторинга лесов в зоне поражения жуком является нехватка специалистов и современных методик быстрого и точного анализа состояния пораженного леса. Однако, некоторые позитивные моменты всё же есть. На схватку с опасным вредителем выходят беспилотные летательные аппараты. БПЛА. Вернее сказать вылетают…Мониторинг леса. Что это такое?
До настоящего времени мониторинг состояния пихтовых лесов в зоне поражения Polygraphus proximus (научное название жука — прим. автора) осуществлялся в ходе периодических наземных наблюдений (проще говоря ножками), что особенно важно в случае обнаружения очагов вредителя и назначения санитарно-оздоровительных мероприятий. Это может быть специальная рубка, обработка биопрепаратами или химическими реактивами. Однако, подобные исследования, в связи с обширностью и труднодоступностью таежных территорий Сибири, не дают полной информации о распространении инвазионного процесса в регионе. Частично данную проблему могло бы решить использование космических снимков и проведение авиационного надзора, но эти методы имеют обширный список ограничений по детализации информации, и, что немаловажно, по стоимости.
С недавнего времени осуществление лесопатологических обследований возможно дистанционным методом с использованием беспилотных летательных аппаратов, что определено в Приказе Минприроды России № 480 от 16.09.2016. Тот редкий случай, когда в России относительно быстро разрешили применять современные технологии для решения таких острых задач.
Методика оценки состояния леса с помощью БПЛА
Казалось бы, что тут сложного? Получай с помощью БПЛА снимки леса и все дела. Но это только кажущаяся простота. Оптимальные условия для проведения дистанционного зондирования лесных насаждений с использованием БПЛА обусловливаются кругом решаемых задач и, следовательно, типом устройства, его техническими характеристиками и рекомендациями фирмы производителя БПЛА. При этом не каждый беспилотник может подойти для подобного рода задач. Для выбора времени проведения аэрофотосъемки первостепенное значение имеет хорошая видимость с минимальной нижней границей облачности около 300 метров при условии равномерного освещения.
Переменная облачность или низкие углы утреннего или вечернего солнечного освещения не рекомендуются, так как кроны поврежденных деревьев могут быть плохо различимы в тенях. Наиболее оптимальные сроки для проведения аэрофотосъемки с использованием БПЛА обычно совпадают с периодами наземных обследований очагов стволовых вредителей с середины апреля до начала октября.
Выбор типа БПЛА
Для оперативных обследований небольших участков пораженного леса применяют полупромышленные БПЛА, характеристики которых позволяют получать снимки не хуже, чем 4000?3000 пикселей. Площадь охвата территории при подъеме БПЛА на 300 м над поверхностью земли составляет 0,2 км?, а при высоте 500 м – 0,5 км?. Функция удержания БПЛА в заданном местоположении и высоте позволяет работать в качестве «наблюдательной вышки» с радиусом обзора до 3–4 км. Это позволяет не только вести оценку состояния леса, но и фиксировать возможные очаги пожаров.
Квадрокоптер позволяет проводить оперативный осмотр участков лесного фонда в режиме фотографирования и видеосъемки. Поврежденные уссурийским полиграфом деревья выявляются на снимках по изменению окраски кроны по сравнению с неповрежденными деревьями, что позволяет легко дифференцировать живые и погибшие деревья и по их доле в древостое приблизительно оценивать его санитарное состояние и уровень деградации. Начальная стадия поражения дерева приводит к незначительному изменению структуры и цвета пихты, что можно видеть на этом фото.
Однако, уже через несколько недель становится заметным, что поражение становится необратимым. Дерево погибает и усыхает, становясь источником повышенной пожарной опасности.
Так выглядит ствол дерева, пораженного полиграфом. Он имеет большое количество отверстий, которые жук прогрыз, проникая под кору. При этом дерево включает защитный механизм от вредителя (выделяет много смолы), но это ослабляет дерево настолько, что оно погибает за несколько недель.
На снимках с БПЛА пораженный лес кажется разноцветным. При этом зеленые деревья ещё не поражены опасным вредителем, а цветные — в крайней стадии поражения. Этот участок леса обречен. Поражения вредителем так масштабно, что через год на этом месте будет только сухостой и валежник, либо эта территория будет охвачена лесным пожаром.
Для мониторинга обширных лесных территорий больше подходят БПЛА типа “крыло”. В частности, для обследования насаждений, поврежденных уссурийским полиграфом, был испытан аппарат, оснащённый цифровой камерой SONY A6000 (24 Мпикс; фокусное расстояние объектива f=20 мм; тип сенсора: КМОП; размер матрицы: 23,5?15,6 мм; разрешение 6000?4000 пикс).
Обработка и интерпретация изображений с БПЛА
Важнейшей задачей для специалистов является оценка результатов мониторинга лесов по снимкам с БПЛА. С учетом обширных территорий и большого массива данных, перспективным на наш взгляд было бы создание нейронной сети анализа полученной информации, так как пораженные деревья на снимках проявляют определенные и достаточно четкие и повторяющиеся дешифровочные признаки (изменяется цвет кроны). Так выглядят кроны деревьев по степени пораженности вредителем, которые условно можно взять как «образцовые». Здесь из снимков леса выделены фрагменты крон в виде изображений с определенным разрешением в несколько десятков пикселей. Подобные «образцовые» изображения (несколько тысяч для начала), могут быть базой данных для тестовой нейронной сети. Конечно, изображения должны быть как-то отнормированы и подготовлены к анализу и это, конечно, тоже имеет свои особенности.
I – здоровое дерево; II – ослабленное дерево; III – сильно ослабленное
дерево; IV – отмирающее дерево; V – свежий сухостой; VI – старый сухостой
Обучив и натренировав сеть на анализ подобных снимков, можно получить мощный инструмент для оценки состояния лесов и при этом значительно снизить человеческий фактор в принятии решений по оценки степени поражения древостоя. Однако, эта отдельная задача, которая требует дополнительного решения. В будущем. Может кто-то из уважаемых читателей Хабра подскажет (в комментариях или лично), как наиболее оптимально и интересно решить эту задачу. Либо кто-то поделится опытом в этом направлении или укажет уже готовые решения?
Подводные камни
Ну не без них. Использование БПЛА вообще сопряжено с огромными препонами и разными ограничениями. С одной стороны отличная технология, но имеет ряд проблем. Административных, связанных с регистрацией БПЛА, открытием воздушного пространства, бесчинствам контролирующих органов с одной стороны, и технических проблем — с другой. БПЛА ещё достаточно «сырая» технология, поэтому потерять дрон в сибирском лесу из-за сбоя телеметрии или технических проблем очень просто. В лесу распространение радиоволн осложняет плотный полог леса, сложный ландшафт территории. Не всегда удается обеспечить все требования встроенного ПО в БПЛА и, в первую очередь, из-за плохого Интернет соединения. Как показывает опыт, современные БПЛА постоянно что-то хотят получить из Интернета (или передать что-то туда) и летать при полном отсутствии сети иногда просто не хотят. Но, скорее всего, это связано с тем, что используются по большому счету не профессиональные БПЛА, хотя проблемы и у них наверняка схожие.
Технология мониторинга пихтовых лесов
Методика оценки состояния пихтовых лесов в местах поражения опасным вредителем обобщена в специальном методическом пособии, которое может быть свободно скачено для ознакомления профильным специалистам (ISBN 978-5-9907381-1-9). Это пособие — результат работы большого коллектива научных сотрудников Института мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН. Данное пособие будет очень полезно специалистам лесного хозяйства, а также специалистам, ведущим анализ состояния лесных ресурсов, экологам, научным работникам, лесникам. Вот имена этих замечательных людей
Кривец Светлана Арнольдовна, Бисирова Эльвина Михаи?ловна, Волкова Елена Сергеевна, Дебков Никита Михаи?лович, Керчев Иван Андреевич, Мельник Мария Алексеевна, Никифоров Артем Николаевич, Чернова Наталья Александровна.
В разработке методики использования БПЛА существенный вклад внес Иван Керчев. Его работы по исследованию опасных вредителей лесов известны многим российским и иностранным ученым. Молодой и чрезвычайно талантливый и обаятельный человек. На фото Иван в экспедиции готовит дрон к полету.
P.S. При подготовке этого поста я случайно вечером наткнулся на интересный прямой эфир на Вести24 о проблемах лесного хозяйства. Вот ссылка. Из эфира я узнал, что в Советском Союзе с продажи леса выручали валюты больше чем с продажи нефти, что в лесной отрасли сейчас не просто проблемы, а вообще… Я удивился этому эфиру и остроте разговора приглашенных экспертов. Хотя судите сами! Эфир, правда, почти 50 минут, учтите этот момент. В этом эфире, в частности, эксперты затрагивали проблемы о которых я пишу в этом посте.
Комментарии (57)
scifinder
28.01.2019 07:00Прошло три года с первой публикации, а леса продолжают уничтожаться? Или распространение жучка удалось остановить?
Uris Автор
28.01.2019 07:57+1К сожалению, ситуация по инвазии (поражению) уссурийским полиграфом не улучшается.
wanomgn
28.01.2019 09:19+2а как было раньше? ну то-есть до наблюдений и действий? как то же раньше этот жук сам сдыхал? ну то-есть почему он до сих пор не сожрал всю всю всю тайгу?
scifinder
28.01.2019 09:23+1Я так понимаю, раньше этого жука у нас и не было, его завезли из Китая.
wanomgn
28.01.2019 09:29а в Китае как с этим жуком обстоят дела? там он все сожрал? или его самого кто то жрет и ограничивает? (понимаю что это далеко от тематики хабра — но интересно послушать профессионалов)
Uris Автор
28.01.2019 09:39Там его можно говорить историческая родина, т.е. биологически он находится в равновесном состоянии с природой, вредитель конечно, но не наносит такого колоссального вреда, как в условиях Сибирских пихтовых лесов, где у него нет естественных врагов и его существование более биологически выгодно.
GiperBober
28.01.2019 09:55+1Так может надо завезти из Китая естественных врагов этого жучка?
Правда, есть опасность, что уже эти «естественные враги» тоже начнут что-нибудь жрать «внеплановое».
P.S. Посмотрел на спутниковых картах леса на границе Китая и России, чёт меня цвет напряг — они с фиолетовым оттенком, как у ТСа описано.
Moskus
28.01.2019 13:14Посмотрел на спутниковых картах леса на границе Китая и России, чёт меня цвет напряг — они с фиолетовым оттенком, как у ТСа описано.
Это так не делается.
sim31r
29.01.2019 00:47Скорее всего «естественные враги» просто не могут переносить сибирские морозы, медленней размножаются и более уязвимы перед птицами, например или что-то еще.
Нужно разрабатывать искусственных врагов, как это делается с тараканами
Или по аналогии с картошкой создать ГМО деревья, устойчивые к вредителям. Деревья растут медленней и не успевают подстроится под быстро адаптирующихся вредителей, генетики тут могут исправить ситуацию на обратную.Moskus
29.01.2019 01:48Вы, случайно, не думаете, что «сибирские морозы» заканчиваются резко на границе России и Китая?
trir
28.01.2019 09:54в Китае есть леса?
Uris Автор
28.01.2019 10:37+1И много. На территории Северо-Восточного Китая в лесах произрастает более 450 древесных и кустарниковых видов. Суммарная площадь лесных массивов региона — 35 млн. га, общий запас древесины — 2,7 млрд. м3. А общая лесистость региона колеблется от 12 до 30%.
trir
28.01.2019 10:40+2это автохтоные леса или современные насождения? Я слышал, что во время Культурной революции у них был дикий объём вырубки, а сейчас идёт программа «Великой зелённой стены» — массированные насождения леса для борьбы с песчанными бурями
«Начиная с 2011 года действует «Программа по охране экологической среды и осуществлению перехода к новому экономическому механизму в лесных районах Большой и Малый Хинган», способствующая разведению лесов и рассчитанная на 10 лет. Лесной покров этих районов должен увеличиться до 70 %» ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D1%8D%D0%B9%D0%BB%D1%83%D0%BD%D1%86%D0%B7%D1%8F%D0%BD
trir
28.01.2019 15:30если он там ударными темпами сажают одну пихту, то таким образом невольно начали промышленное разведение жука
ох уж эти Китайцы
istepan
28.01.2019 13:39Среди естественных врагов отмечены около тридцати видов насекомых, в том числе перепончатокрылые из семейства Pteromalidae — хальциды Dinotiscus eupterus и Roptrocerus mirus (личиночные паразиты). Эти два вида энтомофагов заражают 13 и 6 % личинок полиграфа, соответственно[13]. Из двукрылых хищников зафиксированы мухи из семейства Dolichopodidae — короедница Medetera penicillata. Одна личинка этого двукрылого насекомого может уничтожить более десяти личинок и куколок уссурийского полиграфа[14]. Среди хищников в Западной Сибири отмечены дятлы, серые мухоловки, жуки-стафилиниды, муравьежуки (Thanasimus, Cleridae), рыжие лесные муравьи (Formica rufa) и чёрные садовые (Lasius niger), однако их роль незначительна[7].
Wiki
saga111a
28.01.2019 13:19Насколько я понимаю Заповедник «Столбы» или то что от него осталось, в связи с действиями жука скоро останется без леса?
Iwanowsky
28.01.2019 11:02Да еще под эгидой борьбы с полиграфом (а также всякими типографами) производятся вырубки вполне здоровых массивов деревьев, незаконно объявляя площади зараженными путем фальсификации экспертиз.
Uris Автор
28.01.2019 11:17Это от того, что решения принимает человек рубить или нет, а не программно-аппаратные средства и специальные методики, которые дают четко аппаратно подтвержденные данные.
Moskus
28.01.2019 11:27+4Не знаю, будет ли для вас это неприятным сюрпризом, но человеку, желающему украсть или помочь кому-то украсть, подделка результатов применения «специальных методик» или «программно-аппаратных средств» — не препятствие.
akaAzazello
28.01.2019 11:27+1Чем вызван выбор БПЛА в качестве источника первичной информации, а не спутниковые фото (в т.ч. те, что обновляются ежедневно, что снимают в инфракрасном диапазоне)? Деревья или группы дереьвев вполне различимы для начальной классификации. БПЛА же использовать для уточнения информации на 2м этапе.
Moskus
28.01.2019 11:29+1О каких конкретно обновляющихся ежедневно спутниковых снимках вы говорите? MODIS? Так там разрешение — 250 метров на пиксель, это только уже для здоровых очагов годится.
saga111a
28.01.2019 13:33не совсем в курсе что нужно, но planet.com дает почти ежедневные снимки, с неплохим разрешением (вроде в районе 10м на пиксель, если оценивать на глаз). Возможно окажется полезным. Сам использую для мониторинга ледников и снежного покрова.
Пример бесплатного доступного снимкаурезанная версия платного варианта, но почти ежедневные
источник
мозайка за месяц, бесплатно и видимо полный вариант
источникMoskus
28.01.2019 20:23+1Это коммерческий продукт (минимум — $800 в месяц), а даже если бы у российских гос. организаций на него были деньги, вести непосредственно внешнеэкономическую деятельность (покупать данные у иностранных компаний) — предельно затруднительно. Так что это не реалистичное решение. Ну и то, на что вы дали ссылку, «доступно бесплатно» только на посмотреть, в низком разрешении и внутри их собственного сервиса.
akaAzazello
28.01.2019 15:12Например, группировка спутников Airbus DS с разрешением в видимом диапазоне у некоторых менее 1 метра на пиксель. Или специальные для сельскохозяйственного мониторинга вроде Sentinel-2A/B, имеющие камеры, уходящие в ИК диапазон — с разрешением от 10 метров. Не все они пролетают каждый день над областями сибири с пихтами, но используя несколько источников, можно получить вполне актуальные данные (особенно на фоне облёта беспилотниками такой же пощади). И сейчас это направление(актуальных спутниковых фото) интенсивно развивается — так что может и более интересные найдёте бри более глубоком изучении.
Moskus
28.01.2019 20:05Я в курсе доступных источников спутниковых данных. Но вы написали про сверхвысокое разрешение с ежедневным обновлением, а это точно не Sentinel, например. Именно поэтому я и спросил, что конкретно вы имеете в виду с такими параметрами.
akaAzazello
28.01.2019 20:34сорри — не сразу нашёл — Planet Labs: «With 150+ satellites in orbit, Planet is able to image anywhere on Earth daily at 3 meter and 72 сentimeter resolution»
думаю, с 3х метровыми можно уже работать, а 72 см — тем более, и ежесуточно — пожалуй, многовато — 1-2 в неделю.Moskus
28.01.2019 20:42+1Можно, если внезапно лесникам выделят 800 баксов в месяц на подписку и разрешение вести ВЭД. Вы разве не в курсе, что всё казенное лесное хозяйство существует только на бесплатных данных NASA, немного — ESA и совсем немного — JAXA?
akaAzazello
29.01.2019 12:05Я совершенно не в курсе ньюансов деятельности лесников\лесных хозяйств — но если они мешают им качественно следить за лесом, внедряя новые технология — то их надо поменять.
Moskus
29.01.2019 21:45+1Это не «нюансы» (это слово вот так пишется), а вся воровская государственная система мешает. Ее, конечно, поменять было бы неплохо.
ads83
28.01.2019 20:58Попробуйте поговорить с Роскосмосом. Слышал, что у него есть снимки, которые можно использовать в расчете NDVI для сельхозугодий (в том числе не очень большие поля). Правда, там речь шла о коммерческом партнерстве.
Про разрешение и частоту обновлений снимков не знаю.Moskus
28.01.2019 21:13Не «в том числе», а «только большие поля», потому что у данных Роскосмоса — дрянное разрешение. Плюс, дрянная привязка.
boogiebomzh
30.01.2019 10:02У Ресурс-П заявляется 0.7 метров, но сам я эти снимки не видел, привязку не проверял, так что, спорить не буду. Кроме того, из трех запущенных спутников рабочим оказался только первый, а еще у двух запуск постоянно откладывается, так что о нормальном временном разрешении тоже говорить не приходится.
Moskus
30.01.2019 20:07+1Вот именно что «заявляется» — работать с данными Ресурс — несравнимый геморрой, чего и следовало ожидать.
Uris Автор
28.01.2019 13:26Спутниковые снимки не дают достаточного пространственного разрешения для анализа состояния лесного фонда. И обновляются они крайне редко и не раз в сутки. Это не улочки Рима для туристов. Хотя снимки можно и купить. Но это уже денег стоит не мало на самом деле.
boogiebomzh
28.01.2019 13:41Какое вы получаете разрешение с квадракоптера с высоты 300 и 500 метров, и с этого летающего крыла какое в общем случае?
akaAzazello
28.01.2019 20:43+1Planet Labs — раз в сутки в любой точке Земли и 72 см.
Разумеется, что это стоит денег, но если сравнить стоимость ежедневных спутниковых фото, скажем, на участке в 10 000 квадратных километров по сравнению со стоимостью фотографирования его же толпой дронов, то может оказаться дешевле, и значительно.DGN
28.01.2019 21:33Не просто может, а обязательно окажется. Дрон это во первых летная погода, во вторых доставку в лес станции базирования этого дрона + персонал. В случае какой то внештатки (технические ли неполадки или напали птицы) поиск этого дрона и его ремонт.
Moskus
28.01.2019 21:45Всё бы ничего, только лесничество не может самостоятельно вести внешнеэкономическую деятельность.
sim31r
29.01.2019 00:38Это всё полумеры. Точку в уничтожении вредителей поставят только генетики. Давно уже создаются разного рода вирусы заточенные только под один организм. БПЛА как-раз и помогут их сбрасывать в очаги скопления вредителей. По аналогии с разработками против тараканов
… Второе открытие ученых, возможно, вскоре даст человечеству в руки новое средство в борьбе с тараканами. Они нашли биологическое оружие, а именно денсовирус рыжего таракана. Это вирус с геномом в виде одноцепочечной молекулы ДНК. Он внедряется в клетки кишечного тракта прусака и убивает его в течение десяти дней. Причем, и это самое главное, вирус строго видоспецифичен: он не опасен не только для человека и других животных, но даже для тараканов другого вида.
После того как специалисты выделили вирус и клонировали его в клетках бактерий, они определили его ДНК-последовательность и постепенно узнали, как работают те или иные вирусные гены, для чего нужны вирусные белки. Чтобы подробно изучить взаимоотношения вируса с клеткой-хозяином, биологи заражают им клетки таракана в культуре. После обработки клеток определенными антителами под микроскопом становится видно, как вирусные белки накапливаются в ядре тараканьей клетки.
«Чтобы можно было использовать вирус против тараканов, нужно продумать способ его наработки и доставки. Сейчас мы работаем над тем, чтобы научиться собирать вирус в клетках дрожжей, — рассказал корреспонденту Infox.ru профессор Дмитрий Муха. – Тогда это будет технологически выгодный и удобный препарат».
Вирусные дрожжи таракан ест с удовольствием. Так что он легко заразится вирусом, который приведет к смерти насекомого через десять дней. В принципе ученые могут, используя генно-инженерный подход, сделать вирус еще более злым для тараканов, чтобы он убивал их сразу. Но вряд ли это нужно. За десять дней таракан-носитель пообщается со многими соплеменниками и передаст вирус им. Так что конечный результат в данном случае окажется еще эффективнее.
ads83
29.01.2019 14:12Я удивился этому эфиру и остроте разговора приглашенных экспертов
Мой внутренний параноик говорит, что после того как они подняли острые темы, закончили они обсуждением нового министерства или «РосЛеса наподобие РосНефти» и запретительных мер на границе.
Хотя сказано было много здравого, я с недоверием отношусь к предложениям действующей власти. Часто на этапе реализации получается нечто другое, отличное от того что декларировалось.
Afinogen
29.01.2019 14:37Как показывает опыт, современные БПЛА постоянно что-то хотят получить из Интернета (или передать что-то туда) и летать при полном отсутствии сети иногда просто не хотят
В БПЛА вставляется симка? Первый раз слышу про такую зависимость от интернета. Проблема возможно есть с dji из-за ограничений на полеты в районе аэропортов и других мест. Но кроме них полно и других вариантов. Можно собрать самому, либо заказать у местных авиамоделистов (знакомый собирал крыло для мониторинга сбора урожая).
boogiebomzh
А в инфракрасном диапазоне кроны здоровых и пораженных деревьев отличаются на раннем этапе, когда еще не видны изменения в видимом диапазоне?
Uris Автор
Это очень важный комментарий! Оказывается в NDVI (по сути в инфракрасном диапазоне) поражение дерева можно увидеть на самой ранней стадии, что, конечно, требует дополнительного изучения, но уже проведены первые эксперименты в этом направлении. На контрольных образцах пихт проведены съемки в инфракрасном диапазоне, сейчас эти результаты обрабатываются.
Moskus
Что значит «оказывается»? Вопрос оценки состояния зеленой массы по мультиспектральным снимкам неплохо изучен уже, как минимум, несколько десятков лет.
И NDVI — это не «инфракрасный диапазон», а способ разностного анализа, в котором используются данные в видимом и инфракрасном диапазоне.
gaalsien
Тем более что за эти десятки лет было разработано большое количество индексов растительности, более «надежных» чем NDVI. www.indexdatabase.de — выбирай любой, можно подобрать наиболее подходящий под используемый сенсор и выполняемую задачу. Если между публикациями прошло 3 года, то что мешало выбрать не пораженный участок леса и составить для него с помощью индексов растительности(не обязательно NDVI) временные ряды и использовать их как эталон при мониторинге? Насколько я знаю, подобные ряды давно используются для сельскохозяйственных культур.
Moskus
Вот и я о том же — ответ автора статьи звучит так, будто они там изобретают велосипед.
gaalsien
Кмк, специально переусложненный велосипед.
sim31r
ИК диапазон разный бывает, от почти видимого (где листва белая), до теплового, дальний ИК диапазон, в цифрах примерно от 800 нм до 10 000 нм. Скорее всего речь о ближнем ИК диапазоне.