Благодаря постоянному развитию и совершенствованию технических средств, появляются новые методы сбора и обработки данных. Это относится, в частности, к возможности применения беспилотных летательных аппаратов для учета лесоматериалов на складах.

Источник публикации и ссылка для цитирования – Филатов А.А., Алексеев А.С., Гурьянов М.О., Голубев А.С., Митченко А.П. Применение фотограмметрической съемки с беспилотных летательных аппаратов и трехмерного моделирования для определения объемов круглых лесоматериалов в штабелях. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2024;1(247):56-71. https://doi.org/10.21266/2079-4304.2024.247.56-71

В сфере лесного хозяйства сбор данных происходит несколькими способами. Их можно разделить на традиционные и инновационные. К традиционным относится ручной метод, заключающийся в выезде специалистов на склад хранения древесины с последующим инструментальным обмером штабелей. Инновационные методы подразумевают использование современного оборудования, позволяющего производить бесконтактное определение размеров и объемов.

Основным методом определения объема круглых лесоматериалов в Российской Федерации является групповой (геометрический), регламентируемый ГОСТ 32714–2014 «Лесоматериалы. Термины и определения». При этом объем штабеля определяется преимущественно по правилу «полного ящика», подразумевающему, что вместо измерения объема штабеля неправильной формы, он условно принимается за параллелепипед, рис. 1. В этом случае складочный объем штабеля, включающий в себя объемы древесины, коры и пустот между лесоматериалами, определяется путём перемножения высоты, ширины и длины штабеля, с последующим переводом его в плотный объем, уже без учета коры и пустот, посредством умножения на коэффициент полнодревесности.

Указанный метод измерения, относящийся к традиционным, предполагает использование электронных тахеометров (импульсный метод) или мерных лент, рулеток, линеек, мерных крюков. Так, измерение линий лентой (рулеткой) сопровождается ошибками случайного характера, происходящими от неодинакового натяжения ленты, изменения температуры, невозможности установить шпильки (метки) точно в створе ленты, неровностей почвы и т. п. Относительная ошибка при измерении линии лентой колеблется от 0,2% в благоприятных условиях до 0,5% в неблагоприятных. Так же к недостаткам традиционных методов измерений следует отнести возникающую в отдельных случаях необходимость нахождения исполнителей работ одновременно и наверху штабеля, и у его основания, что уже само по себе небезопасно. Данную проблему отчасти решает использование телескопических линеек, но сложность в оценке вертикальности положения линейки и соответствия ее нулевой отметки верхней части штабеля при нахождении измерителя у его основания, без контроля со стороны, тоже может становиться причиной возникновения погрешностей измерений.

Помимо вышеперечисленного, дополнительные сложности и препятствия создают захламленность приштабельных территорий, их труднодоступность, а в зимний период – еще и наличие снегозаносов. Особую трудность при измерении традиционным методом представляют штабеля, закрытые с двух сторон, рис. 2. В этом случае выполнять замеры высот вплотную к штабелю, как того требует методика, становится практически невозможно. По этой же причине весьма непросто измерять высоту через равные промежутки расстояний (секции), как того требует ГОСТ 2292–88 «Лесоматериалы круглые. Маркировка, сортировка, транспортирование, методы измерения и приемка».

Говоря о переходе от складочного объема штабелей к плотному, необходимо отметить также, что применение с этой целью метода диагоналей в рамках традиционных инструментальных способов также сопряжено с рядом сложностей. Так, диагонали могут быть безопасно и точно измерены только в нижнем слое штабеля – в пределах высоты вытянутой руки человека. На штабелях, которые имеют большую высоту, измерить диагонали и торцы по всей плоскости штабеля, становится невозможно или опасно. Использование коэффициентов полнодревесности, полученных из нижней части штабеля, может привести к ошибкам, поскольку разные части штабеля могут состоять из сортиментов разных диапазонов толщин с различной плотностью укладки: нижние бревна штабелей более плотно прилегают друг к другу под тяжестью бревен, лежащих выше.

Для устранения перечисленных выше сложностей в определении объемов и коэффициентов полнодревесности штабелей круглых лесоматериалов могут быть использованы дистанционные методы, основными из которых являются:

- фотографический, основанный на цифровой фотограмметрии и предусматривающий измерение изображения штабеля и применение 2D-модели его торца. Масштаб модели при этом определяется с помощью эталона или измерения расстояния дополнительными датчиками. Складочный объем штабеля при фотографическом методе находится перемножением определенной по снимку площади торцевой поверхности на длину лесоматериалов. Коэффициент полнодревесности определяется методом диагоналей или путем деления суммы площадей торцов лесоматериалов на всю площадь торца штабеля. Фотографический метод, кроме плоскостного моделирования, может применяться для подсчета количества лесоматериалов, а также для определения многих вспомогательных и производных величин. Необходимо также отметить, что, в отличие от 3D-моделирования, плоскостное менее требовательно к вычислительным устройствам и скорости связи, поэтому часто используется в полевых условиях;

- электронно-оптический, при котором геометрическое определение объема лесоматериалов проводят с применением электронно-оптических средств.

Инновационным на настоящий момент времени способом ведения мониторинга, учета и анализа леса является использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Аэросъёмка с промышленных дронов может охватить достаточно большую территорию, а возможность низкого полета и осмотра мест «закрытых штабелей», позволяет проводить исследования более качественно и детально.

В рамках исследования был проведен анализ точности в определении размеров и объемов штабелей круглых лесоматериалов с применением БПЛА.

Для сбора данных были использованы сверхмалые БПЛА массой до 30 кг. Съемка выполнялась в автоматическом (полет по заданному маршруту) и ручном режимах с перекрытием между кадрами не менее 80% в июле, августе и декабре 2022 г. квадрокоптерами DJI Phantom 4 PRO, Mavic Air2s и Mavic Air2, оснащёнными цифровыми RGB-камерами. Высота полета во время съемки штабелей не превышала 50 м, что позволило получить снимки высокого качества.

Дальнейшая стереофотограмметрическая обработка полученных изображений проводилась с применением специализированного программного обеспечения Agisoft Metashape Professional v.2.0.0, с помощью которого проводилась оцифровка геометрии штабеля и создание его трехмерной модели, пример которой приведен на рис. 3, по следующим параметрам:

- замерам оснований штабелей с двух сторон с учетом пустот, прокладок, особенностей укладки и микрорельефа;

- замерам высот штабелей с двух сторон с учетом особенностей укладки и наличия пустот.

Для оценки точности полученных данных были использованы результаты обмера штабелей с применением традиционных инструментальных технологий, включающих в себя обмер штабелей с применением тахеометров и мерных шестов с последующим вычислением складочных объемов методом полного ящика в соответствии со стандартами ГОСТ 32594–2013 «Лесоматериалы круглые. Методы измерений» и ОСТ 1343-79Е «Лесоматериалы круглые. Геометрический метод определения объема и оценка качества лесоматериалов».

Всего в рамках исследования было обмерено 33 штабеля круглых лесоматериалов средним объемом 1400 м³.

Еще на полевом этапе было выявлено существенное расхождение во времени, требующемся на обмер штабелей традиционным инструментальным методом и с применением БПЛА – инновационный подход позволяет существенно сократить трудозатраты за счет высокой степени автоматизации процесса сбора и обработки данных.

Еще одним преимуществом применения БПЛА является объем собираемых данных, выражающийся в большем числе получаемых замеров. Так, по профилю высот, получаемому в результате обработки снимков, могут быть определены высоты с шагом 10 см. Число инструментальных замеров высот с использованием тахеометров и мерных шестов почти на порядок меньше, что является причиной меньшей детальности профиля высот. При этом, как видно из рис. 4, данные, полученные с применением обоих рассмотренных методов, практически не различаются между собой.

В дальнейшем, для оценки точности полученных данных, был проведен их сравнительный анализ. С этой целью были рассчитаны расхождения в величинах показателей штабелей, определенных с применением БПЛА и на основании инструментальных замеров (Формулы, характеристики использовавшихся БПЛА и библиографические ссылки).

Необходимо отметить, что результаты инструментальных замеров были приняты за истинные в силу проверенности данного метода. Вместе с тем, как отмечалось выше, его применение не гарантирует абсолютной точности получаемых данных. При вычислении величин расхождений следует учитывать существование двух подходов, при которых полученные значения анализируются как с учетом знака, чтобы оценить возможную систематическую ошибку, так и в виде абсолютных значений, во избежание взаимного поглощения величин расхождений с противоположными знаками.

При анализе точности в первую очередь проводится выявление и последующее устранение путем повторных обмеров или, в случае их невозможности, удаления из ряда данных, грубых ошибок, превышающих тройную допустимую погрешность. Согласно ГОСТ 32594–2013 «Лесоматериалы круглые. Методы измерений», допустимые погрешности определения плотного объема партии бревен, измеренных групповыми методами, составляют ±5% с вероятностью 0,95. Как видно из приведенных в табл. 1 данных, максимальные абсолютные значения расхождений в каждом из оцениваемых показателей не превышали 5,72%, что позволяет сделать вывод об отсутствии среди них грубых ошибок.

Среднее арифметическое значение расхождений опытных и истинных значений, вычисленных с учетом знака, часто используется для оценки систематической ошибки, позволяющей сделать выводы о наличии систематического завышения или занижения полученных результатов.

Если сравнить средние абсолютные величины расхождений в полученных разными методами размерных показателях штабелей (табл. 1), можно заметить, что наименьшими являются расхождения в их длинах, что связано со сравнительной простотой их определения. Бóльшие средние абсолютные величины расхождений имеют высоты штабелей. Подобная зависимость может быть обусловлена как особенностями автоматической обработки изображений, полученных с помощью БПЛА, при которой учитываются высоты подкладок и возможные неровности поверхности земли, так и погрешностями использования мерного шеста, когда измеряющий, особенно в случае высоких штабелей, порой не может точно оценить местоположение верхней точки. Полученные расхождения в средних высотах и длинах штабелей в дальнейшем приводят к расхождениям в их складочных объемах.

Обратная зависимость наблюдается, если рассматривать средние величины расхождений, взятые с учетом знака. Наибольшая величина систематической ошибки была выявлена при измерении длин штабелей: данные, полученные с помощью БПЛА были выше в среднем на 0,59%. Это может быть связано с особенностями использованного метода полного ящика, когда крайние части штабелей визуально переносятся на верхнюю часть их скатов, приближая форму боковой поверхности к прямоугольнику. Для средних высот штабелей в целом наблюдается занижение на 0,29%.

Величины вышеперечисленных статистических показателей расхождений между определенными разными методами размерами штабелей круглых лесоматериалов приведены в табл. 1, на основании которой можно сделать выводы о высокой степени схожести значений, полученных разными методами.

Для анализа факторов, влияющих на точность определения складочных объемов штабелей круглых лесоматериалов, была рассмотрена зависимость величин расхождений в них от длин, средних высот и объемов. Проведенный корреляционный анализ выявил отсутствие достоверной зависимости между данными показателями. Так, коэффициенты корреляции составили, соответственно, 0,02, - 0,27 и 0,19, величины p-критерия во всех случаях превысили пороговое значение в 0,05. Таким образом, можно сказать, что расхождения в складочных объемах штабелей круглых лесоматериалов носят случайный характер, не приводящий при этом к существенным ошибкам.

Одним из примеров возникновения случайных расхождений является наличие разрывов и пустот в штабелях, не видимых с земли или недоступных, согласно требованиям техники безопасности, для прямого измерения, как это проиллюстрировано на рис. 2. В этом случае полученные в результате инструментальных замеров объемы будут завышать фактические значения.

Несмотря на это, можно сделать вывод о том, что замеры длин и высот штабелей круглых лесоматериалов, проведенные с применением БПЛА, их построенные методом фотометрии модели, а также определенные на их основе складочные объемы показали результаты, близкие к полученным в результате обмера штабелей с применением традиционных технологий.

При таксации штабелей круглых лесоматериалов больший интерес представляет не складочный объем, а плотный. В предлагаемом исследовании и для традиционной инструментальной технологии, и для основанной на применении БПЛА переход к последнему производился с использованием табличных коэффициентов полнодревесности. Поскольку для обеих рассматриваемых методик их значения были одинаковыми, величины расхождений в плотных объемах штабелей были равными расхождениям в складочных (табл. 1), из-за чего не требовали отдельного рассмотрения.

Вместе с тем дальнейшее совершенствование технологии обмера штабелей на основе применения фотограмметрии позволит проводить автоматическое определение фактических коэффициентов полнодревесности посредством распознавания площадей торцов и их доли от боковой поверхности штабеля, как это реализовано в таких специализированных приложениях, как «SmartTimber» или «Timbeter».

Заключение. Проведенное исследование возможности применения беспилотных летательных аппаратов с последующим 3D-моделированием при учете штабелей круглых лесоматериалов показало, что полученные в результате величины размерных показателей, таких, как высота и длина основания штабелей, а также их объемов не существенно отличаются от величин, определенных посредством непосредственных обмеров.

Так, на основании анализа обмеров 33 штабелей круглых лесоматериалов, не было выявлено наличия грубых ошибок в их размерах, а величины систематических и случайных ошибок не превышали допустимых значений.

Рассмотренный метод продемонстрировал высокую производительность при измерении больших объемов круглых лесоматериалов, а также возможность без потери точности измерять закрытые и высокие, более 4 м, штабеля. При этом, помимо снижения трудозатрат на обмер штабелей, происходит снижение рисков для жизни и здоровья работников, обусловленное переходом от контактной работы при измерении штабелей на дистанционное обследование.

Дальнейшее исследование и совершенствование методики позволит повысить точность определения размеров и объемов штабелей, а также автоматизировать процесс вычисления коэффициентов их полнодревесности. Но и на настоящем этапе можно сказать о высоком потенциале применения БПЛА при учете штабелей круглых лесоматериалов.

Антон Филатов, аспирант СПбГЛТУ

Александр Алексеев, д.г.н., проф. СПбГЛТУ

Михаил Гурьянов, к.с.-х.н., доцент СПбГЛТУ

Александр Голубев, ст. преп. СПбГЛТУ

Андрей Митченко, к.с.-х.н., АО «Шмидт энд Олофсон»

Библиографический список