Wykonano ocenę stanu zdrowotnego drzewostanu iglastego na siedlisku lasu mieszanego świeżego w Leśnictwie Jelna (Nadleśnictwo Leżajsk) zlokalizowanego w województwie podkarpackim. Analizę przeprowadzono w oparciu o informacje zawarte na mapach reflektancji w zakresie bliskiej podczerwieni oraz wybranych zakresów promieniowania widzialnego.
Informacje wstępne:
Wykonawca: | Grzegorz Durło |
Cel: | Wykonanie kompozycji barwnej NDVI oraz CIR i ocena uszkodzeń koron drzew |
Data i miejsce wykonania nalotu: | Leśnictwo Jelna, Obręb Leżajsk, Oddz. 93a/94k-m, 24-06-2019 |
Powierzchnia opracowania: | 13,75 ha |
Sprzęt: | DJI Matrice 210, MicaSense Altum |
Oprogramowanie: | DJI Pilot, Agisoft Metashape, QGIS 2.18, SCP |
1. Wstęp
Współczesne bezzałogowe statki latające dysponują ogromnym potencjałem w zakresie gromadzenia i przetwarzania informacji stanowiącej źródło danych wykorzystywanych do bezpośredniego zarządzania na obszarach leśnych. Posiadają one liczne zalety w stosunku do satelitów czy pilotowanych statków powietrznych. Przede wszystkim, drony mogą być rozmieszczone szybko i wielokrotnie w tym samych lokalizacjach; są one bezpieczniejsze niż pilotowane samoloty; są elastyczne pod względem wysokości lotu i czasu trwania misji, nadto mogą uzyskać zdjęcia w rozdzielczości pod-decymetrowej.
2. Lokalizacja obiektu
Nadleśnictwo Leżajsk, Obręb Leżajsk, Leśnictwo Jelna, oddziały 93 i 94.
Gatunek panujący: Sosna pospolita (Pinus sylvestris L.) 90%, w podroście dąb szypułkowy 8%, grab 1,5% i pojedynczo buk 0,5%.
Przeciętna wysokość drzewostanu panującego: 24,53 m (Oddz. 94) (ryc. 1).
Wstępna analiza zagrożeń: kornik ostrozębny (Ips acuminatus) na sośnie z widocznymi objawami defoliacji w górnej części strzały oraz wydzielający się posusz (fot. 1, 2).



3. Przebieg misji
Misję bezzałogowego statku powietrznego zaplanowano w aplikacji DJI Pilot zgodnie z następującymi parametrami: wysokość lotu 110 m AGL, prędkość pozioma 5 m·s-1, stabilizacja GPS/GNSS, FO/SO 75% (ryc. 3).
Akwizycję zdjęć zaplanowano w aplikacji RE-3 MicaSense.
Ustawienia kamery: CO Landscape; GSD 4,74; Footprint 97,91/73,24.
Warunki meteorologiczne w trakcie misji: słonecznie, temperatura powietrza 22ᶹC; wilgotność powietrza 78%; zachmurzenie ogólne nieba 0,0 Okt, prędkość wiatru 1,5 m·s-1, widoczność pozioma 15 km; stan powierzchni czynnej: sucha.
W trakcie misji wykonano 1344 zdjęć (5 kanałów) w formacie TIFF (16 bit).
Optymalizację procesu akwizycji danych przygotowano w oparciu metodykę zawartą w pracy Dandois i in. (2015).
4. Opracowanie danych
Opracowanie wykonano w aplikacji Agisoft Metashape Prof. 1.5.2.
Średnia wartość wskaźnika EIQ 0,796 (±0,030); liczba zdjęć wyrównanych 1344 (100%); średni błąd geolokalizacji 1,39 m (tab. 1); średnia liczba punktów wiążących 4236; całkowity czas przetwarzania 53 min.
Wstępna część opracowania zawiera rzadką oraz gęstą chmurę punktów, modele DTM i DSM, a także ortofotomozaikę.
Produkt końcowy: mozaika barwna NDVI oraz CIR (NIR, RED, GREEN).
Identyfikację koron drzew z oznakami osłabienia i defoliacji oraz klasyfikację obiektów wykonano w aplikacji QGIS 2.18 Las Palmas. przy użyciu wtyczki SCP autorstwa Luca Congedo (2019). W procesie interpretacji ortofotomap wspomagano się metodyką opisaną w pracach Payne i in. (2011), Szymańskiego i in. (2014) oraz Wężyka i in. (2017).






5. Wyniki
Na podstawie map reflektancji (ryc. 7a-e) w pięciu zakresach promieniowania (BLUE, GREEN, RED, REDEDGE oraz NIR) przygotowano barwną kompozycję wskaźnika wegetacji NDVI dla badanego fragmentu drzewostanu (ryc. 8) oraz kompozycji barwnej CIR w zakresie bliskiej podczerwieni i wybranych zakresów promieniowania widzialnego (ryc. 9). Średnia wartość wskaźnika NDVI w obszarze zajmowanym przez sosnę wyniosła 0,74 (±0,05), dla części
z gatunkami liściastymi 0,95 (±0,4). Przeciętna wartość wskaźnika dla całego drzewostanu wyniosła 0,92 (zakres od 0,29 do 0,99). Różnice te są wyraźnie widoczne na histogramie z typowym w takich przypadkach rozkładem dwumodalnym (ryc. 8a). W ostatnim etapie opracowania wykonano klasyfikację nadzorowaną (SCP), której wyniki przedstawia rycina 10 wraz z tabelą opisującą udział poszczególnych klas stanu zdrowotnego koron drzew (tab. 2). Ponad 10% drzew to posusz jałowy oraz wydzielający się posusz czynny, pozostałe 23% to drzewa osłabione z postępującym procesem defoliacji, które należy zakwalifikować do usunięcia w kolejnych latach. Stosunek liczby drzew zdrowych do osłabionych jest bardzo wysoki i wynosi 2,2:1.
Poniżej mapy reflektancji. Kolejno BLUE, GREEN, RED, REDEDGE, NIR w oddziale 94:










6. Podsumowanie
Zaprezentowana w materiale technologia UAV/UAS w połączeniu z możliwościami cyfrowego przetwarzania obrazu jest bardzo skutecznym narzędziem wspierającym diagnostykę i monitoring środowiska, znacznie skracającym czas wymagany do pozyskania danych, co wydatnie obniża koszty jego analizy. Współcześnie, leśnicy stosują metody analizowania zdjęć wysokiej rozdzielczości w celu monitorowania zjawisk, których skutki są ważne lub mogą w przyszłości być istotne dla prawidłowego funkcjonowania i stabilności ekosystemu leśnego. Do najbardziej popularnych należą monitorowanie stanu zdrowotnego drzew, ocena stopnia defoliacji wywołanej czynnikami stresu biotycznego, monitorowanie stopnia uszkodzenia aparatu asymilacyjnego spowodowanego gradem lub innymi czynnikami abiotycznymi, w tym pochodzenia antropogenicznego.
Pomiary zostały wykonane za pomocą kamery multispektralnej MicaSense Altum, która pozwala na rejestrację obrazu w pięciu kanałach: Blue, Green, Red, Red Edge, Near infrared (NIR) wraz z obrazem termalnym (8-14 um). MicaSense Altum jest w pełni kompatybilna z dronami DJI Enterprise.
Bezzałogowy statek powietrzny, który został użyty do badań to DJI Matrice 210. Dron pozwala na maksymalny czas lotu nawet do 34 min, a także umożliwia podłączenie dwóch kamer jednocześnie.
Więcej na temat bezzałogowych statków powietrznych, oprogramowania, kamer i szkoleń dedykowanych Lasom Państwowym opublikowaliśmy w Biuletynie Informacyjnym dla Lasów Państwowych.
Źródła:
- Congedo L. 2019. Semi-Automatic Classification Plugin Documentation. Ver 6.3.0.1. Manuscript, s.213.
- Dandois J.P., Olano M., Ellis E.C. 2015. Optimal Altitude, Overlap, and Weather Conditions for Computer Vision UAV Estimates of Forest Structure. Remot. Sens. 7: 13895-13920. Doi:10.3390/rs71013895
- Payne A., Thompson G., Johnson C., Morgan H., Harrell J., Morgan T. 2011 A Guide for Understanding, Interpreting and Benefiting from CIR Imagery.
- Szymański P., Robaszkiewicz R., Będkowski K., Brach M., Kwaśny Ł. 2014. Fotogrametryczny monitoring drzewostanu dębu bezszypułkowego (Quercus petraea Liebl.) w rezerwacie „Zimna Woda” w Rogowie. Stud. Mat. CEPL, 41(4), 335-345.
- Wężyk P., Mucha M., Szostak M. 2017. Mapa użytkowania i pokrycia fragment Gorczańskiego Parku Narodowego opracowana w oparciu o fotointerpretację cyfrowych ortofotomap lotniczych CIR z 2011 roku. Rocz. Geom. 1(76), 119-131.