Wykonano ocenę rozkładu temperatury powierzchni czynnej drzew na ścianie lasu z objawami zasiedlenia przez chrząszcza z rodzaju przypłaszczek (Phaenops). Analizę przeprowadzono w oparciu o informacje zawarte na zdjęciach LWIR pozyskanych z pokładu bezzałogowego statku powietrznego.

 

Informacje wstępne:

Wykonawca: Grzegorz Durło
Operator UAV/UAS: Grzegorz Durło
Cel: Wykonanie kompozycji barwnej LWIR/TMP, ocena rozkładu temperatury drzew na ścianie lasu
Data i miejsce wykonania nalotu: 12-09-2019; RDLP Warszawa, Nadleśnictwo Garwolin, Leśnictwo Cyganówka, Obręb ewidencyjny Cyganówka
Obręb ewidencyjny: Cyganówka
Identyfikator działki: 17-04-1-04-191-h-00
Powierzchnia opracowania: 1,28 ha
Sprzęt: UAV DJI Matrice 210, kamera DJI XT2 SR19
Oprogramowanie: DJI Pilot, Pix4Dmapper, Flir Tools+

2. Wstęp

Diagnostyka stanu zdrowotnego lasu przy użyciu sensorów termowizyjnych stanowi ważne narzędzie w walce ze szkodnikami drzewostanów, głównie tych gatunków, których rozwój uzależniony jest od przebiegu czasowego i rozkładu przestrzennego temperatury powierzchni czynnej drzew. Biologia i ekologia chrząszczy, w szczególności ich preferencje związane z gatunkiem rośliny oraz jej cechami fizycznymi, pozwalają precyzyjnie określić zasięg występowania oraz potencjalny rozmiar szkód w drzewostanie. Jeden z najgroźniejszych szkodników sosny zwyczajnej tj. przypłaszczek granatek (Phaenops cyanea) preferuje bowiem ciepłe oraz eksponowane na promieniowanie słoneczne ściany lasu, które w trakcie wiosennego słonecznego dnia nagrzewają się znacznie bardziej aniżeli gleba na otwartej przestrzeni. Wykorzystuje zatem nie tylko korzystne położenie względem słońca, ale również dodatkową porcję energii promieniowania odbitego od gleby. Leśnicy borykają się z problemem zasiedlania przez przypłaszczka ścian lasu na powierzchniach powstałych w wyniku cięć zupełnych oraz częściowych. Powstała w ten sposób granica środowiskowa sprzyja zwiększaniu się temperatury powierzchni czynnej strzał, z czego skrupulatnie korzystają samice przypłaszczka wybierając najcieplejsze drzewa do zasiedlenia.

 

2. Lokalizacja obiektu

Tereny leśne wzdłuż drogi krajowej nr 76 pomiędzy miejscowościami Cyganówka oraz Wilga. Współrzędne narożników: NE 52,176580, 20,608035; SW 52,174078, 20,611507, wysokość bezwzględna 93 m n.p.m. Gospodarstwa leśne o zrębowej strukturze zagospodarowania. Ściana lasu (krawędź kulisy) o ekspozycji południowo-południowo-zachodniej SSW, wysokość drzew od 17 do 19 m, długość ściany lasu 245 m; sąsiedztwo uprawy leśnej o powierzchni 3,7 ha z odnowieniem sosnowym w wieku 9 lat, domieszka brzozy oraz dębu szypułkowego. Leśnictwo Cyganówka, Nadleśnictwo Garwolin, RDLP Warszawa. Celem misji diagnostycznych była wstępna analiza zasiedlenia drzew sosny pospolitej (Pinus sylvestris L.) przez wtórnego szkodnika z rodziny bogatkowatych – przypłaszczka granatka (Phaenops cyanea F.) Poniżej mapa leśna wraz z trasą nalotu (ryc. 1).

 

Ryc. 1. Mapa gospodarstwa leśnego w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin z zaznaczoną trasą lotu BSP z kamerą DJI Zenmuse XT2.

 

Fot. 1. Sosna zwyczajna (Pinus sylvestris L.) zaatakowana przez przypłaszczka granatka z objawami usychania igieł na ścianie lasu w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin

 

Fot. 2. Korony sosny zwyczajnej (Pinus sylvestris L.) z objawami defoliacji na skutek ataku przez przypłaszczka granatka w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin (widok z pokładu BSP).

 

3. Przebieg misji

Misję BSP zaplanowano w aplikacji DJI Pilot w trybie Manual Flight w oparciu o 25 punktów nawigacyjnych typu WAYPOINTS zgodnie z następującymi parametrami: wysokość lotu 12 m AGL, prędkość pozioma 2,0 m·s-1, stabilizacja GPS/GNSS, separacja pozioma 15 m. Ustawienia kamery: CO Landscape; Warunki meteorologiczne w trakcie misji: słonecznie, temperatura powietrza 13ᶹC; wilgotność powietrza 59%; zachmurzenie ogólne nieba 0,0 Okt, prędkość wiatru 1,6 m·s-1, widoczność pozioma 10 km; stan powierzchni czynnej przy ścianie lasu – sucha. W trakcie misji wykonano 165 zdjęć w formacie JPEG (16 bit) kamerą DJI XT2 SR19 (ryc. 2, 3). Kalibrację kamery wykonano na panelu z folii aluminiowej (0,8 m2) umieszczonym na ziemi z wysokości 5 m (w pionie), kilka pomiarów referencyjnych wykonano w odległości 5 metrów (w poziomie) od ściany lasu wskazując punkty pomiarowe na opasce lepowej w kolorze czarnym, opasującej strzały sosen na wysokości 3,0 -3,5 m nad glebą. Wykorzystano również dane z cyfrowego rejestratora temperatury HOBO UA 002-84 umieszczonego na jednym z drzew na ścianie lasu.

 

Fot. 3. Zdjęcie LWIR ściany lasu wykonane kamerą DJI Zenmuse XT2 SR19 z pokładu bezzałogowego statku powietrznego Matrice 210 V2 w trakcie misji w Leśnictwie Cyganwóka, Nadl. Garwolin


4. Opracowanie danych

Opracowanie wykonano na komputerze DELL Vostro P71F w aplikacji Pix4mapper oraz FLIR Tools+.; liczba zdjęć wyrównanych 165/165 (100%); średnia liczba punktów wiążących 4236; całkowity czas przetwarzania 34 min. Produkt końcowy panorama barwna LWIR oraz diagram rozkładu temperatury powierzchni czynnej. Identyfikację obszarów podwyższonej temperatury strzał oraz klasyfikację obiektów wykonano w aplikacji PFlirTools+. Transmisję atmosferyczną obliczono na podstawie temperatury oraz wilgotności względnej powietrza w trakcie misji. Typ pomiaru: centralnie ważony uśredniony. Z tego względu utrzymanie odpowiedniego zwarcia drzew na ścianie lasu wydaje się kluczowe.

 

5. Wyniki

Analizowany rozkład przestrzenny temperatury powierzchni strzał sosen na ścianie lasu pozwolił na wytypowanie zarówno osobników o najwyższej temperaturze jak i zawężenie okna temperaturowego do strefy, na której spodziewany odsetek chrząszczy zasiedlających drzewa będzie prawdopodobnie najwyższy. Po drugie, analiza obrazów termograficznych pozwoliła na ustalenie, w jakiej odległości od ściany lasu znajdują się drzewa potencjalnie mogące zostać zasiedlone przez chrząszcze. Absolutna maksymalna temperatura odsłoniętych strzał w strefie odziomkowej na ścianie lasu wyniosła 29,5 °C, przeciętnie temperatura strzał w pierwszej linii drzew wyniosła około 19,5 °C z odchyleniem 0,8 °C na wysokości 10 m n. g. oraz 25,0 °C ± 0,6 na wysokości 2,0 m n. g. Biorąc pod uwagę odległość drzew od granicy z uprawą oraz tempo ogrzewania strzał w ciągu dnia należy spodziewać się, że strefa zagrożenia sięga do około 8 metrów w tym fragmencie drzewostanu. O tempie ogrzewania drzew w tej strefie decyduje wysokość osadzenia korony, indeks LAD oraz współczynnik wychylenia.

 

Fot 4. Fragment panoramy TPC (kolory umowne) wraz z profilami temperaturowymi na strzałach sosen rosnących na ścianie lasu w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin

 

Ryc. 2. Profil pionowy temperatury powierzchni strzał drzew (max 11 m n. p. g.) z wyraźnym artefaktem spowodowanym przez czarną opaskę lepową na sosnach wzrastających na ścianie lasu w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin

 

Ryc. 3. Średnia temperatura strzał w strefie odziomkowej (do 5 m n. p. g.) na ściennie lasu w rzędach odpowiednio: 1_r – ściana lasu, 2_r – 5 metrów od ściany lasu; 3_r – 10 metrów od ściany lasu; 4_r – 15 metrów od ściany lasu. Leśnictwo Cyganówka, Nadl. Garwolin

 

Ryc. 4.  Zrzut ekranu z aplikacji Flir Tools+ z podsumowaniem informacji na temat wartości temperatury strzał drzew na ścianie lasu (znacznik pomiarowy) w procedurze izotermy niestandardowej, Leśnictwo Cyganówka, Nadl. Garwolin (po lewej). Informacja na temat pomiarów punktowych w ramach sygnatur temperatury powierzchni strzał na ścianie lasu w Leśnictwie Cyganówka, Nadl. Garwolin (po prawej).

6. Podsumowanie

Opisana w materiale technologia UAV/UAS wyposażona w sensory bolometryczne stanowi skuteczne i co najważniejsze bezinwazyjne narzędzie wspierające diagnostykę stanu zdrowotnego drzew leśnych. Możliwości operacyjne statków bezzałogowych wraz z aplikacjami do planowania misji diagnostycznych znacznie skracają czas wymagany do pozyskania danych w stosunku do metod tradycyjnych. Algorytmy do analizy zdjęć z sensorów radiometrycznych pozwalają w łatwy i dokładny sposób pozyskać dane o walorach temperaturowych obiektów, a wysoka rozdzielczość zdjęć oraz możliwość tworzenia lokalnych znaczników pozwalają na precyzyjne obliczenie temperatury w obrębie sygnatur. Z pomocą w tym względzie przychodzi aplikacja Pix4Dmapper do tworzenia zarówno mozaiki LWIR jak i mapy temperatury powierzchni ustawionych pod dowolnym kątem względem sensora. Korzystając z zaawansowanych funkcji programu możemy bez trudu wykonać mapę rozkładu temperatury powierzchni czynnej np. na ścianie lasu. Do pracy z pojedynczymi zdjęciami lub niewielkich rozmiarów panoramami świetnie nadaje się z kolei program FLIR Tools+ z bogactwem narzędzi służących nie tylko do analizy termogramów, lecz także do tworzenia zaawansowanych raportów. Tym samym, leśnicy otrzymują narzędzia, które bez wątpienia przyczynią się do usprawnienia prac w walce ze szkodnikami drzew leśnych, zarówno jeśli chodzi o diagnostykę jak i optymalizację zabiegów ochronnych [Zarz. Dyr. Gen. LP nr 21 z dnia 06-04-2016].

 

Źródła:

  1. Civil Aviation Authority (CAA) 2017. Small Unmanned Aircraft (SUA) operators holding a valid CAA permission. http://publicapps.caa.co.uk/docs/33/20170714RptUAVcurrent.pdf
  2. Dandois J.P., Olano M., Ellis E.C. 2015. Optimal altitude, overlap, and weather conditions for computer vision UAV estimates of forests. Remot. Sens. 7: 13895-13920. Doi:10.3390/rs71013895
  3. Flir User manual 2015. Instrukcja obsługi Flir Tools/Tools+. Wyd. Interteck, T559999, ss. 172.
  4. Lillesæter O. 1991. Simple radiometric method for measuring the thermal broadband emissivity of material samples. App. Opt., 30 (34), 5086-5089.
  5. Vlcek, J. 1982. Determination of emissivity with imaging radiometers and some emissivities at λ = 5 μm. Phot. Eng. Rem. Sens., 1, 609-615.
  6. Wolfe W. L. 1985. Handbook of military infrared technology. Office of Naval Research, Department of Navy, Washington, D.C.

 

Podziękowania

Składamy podziękowania pracownikom PGL Lasy Państwowe Nadleśnictwa Garwolin oraz Leśnictwa Cyganówka, a także pracownikom Instytutu Badawczego Leśnictwa w Sękocinie Starym, w szczególności Pani dr inż. Alicji Sowińskiej za pomoc i współpracę w trakcie prac terenowych. 

Bezzałogowe statki powietrzne