Использование современных технологий для сохранения лесов

Леса играют важную роль в поддержании экологического равновесия Земли. Они поглощают углекислый газ, поддерживают биоразнообразие, регулируют гидрологический цикл и выступают источником жизненно важных для человека ресурсов. Однако в последние десятилетия из-за вырубки, пожаров и других антропогенных факторов «лёгкие планеты» подвергаются значительной угрозе. Константин Шадрин, директор Центра компетенций ИТ-холдинга Т1, рассказал «Лесному комплексу», как технологии дистанционного зондирования упрощают мониторинг, управление и сохранение лесного фонда.

Что такое дистанционное зондирование Земли

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — технология, которая использует летательные аппараты для сбора информации о поверхности планеты. Данные получают с помощью специальных сенсоров — они измеряют отражённое и излучаемое электромагнитное излучение в различных диапазонах спектра.

История ДЗЗ начинается с аэрофотосъёмки: кадры с воздуха активно использовались ещё в начале XX века для разведывательных целей. Однако настоящее развитие технологии пришлось на вторую половину столетия. В 1960 году на орбиту вышел метеорологический спутник TIROS-1 — он впервые предоставил снимки поверхности Земли из космоса. А в 1972-м стартовал летательный аппарат программы Landsat (Landsat-1), который открыл новую эпоху в мониторинге земной поверхности. Данные Landsat до сих пор остаются основным ресурсом для изучения изменений земного покрова.

Сегодня основные технологии, которые используются для ДЗЗ, это:

• Аэрофотосъёмка и беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Самолёты, вертолёты и мониторинговые дроны позволяют получать высокодетализированные изображения поверхности Земли, которые могут быть использованы для локального мониторинга и оценки состояния лесных массивов. Ожидалось, что использование аэрофотоснимков в оперативном лесном хозяйстве будет сокращаться по мере совершенствования технических возможностей новых БПЛА и спутниковых сенсоров. Но на самом деле спутниковый мониторинг, БПЛА и аэрофотосъёмка дополняют друг друга.
• Спутниковый мониторинг. Спутники предоставляют данные о лесах с регулярной периодичностью и высоким пространственным разрешением.

При этом оборудование и сенсоры, установленные на антенны по приёмке данных, также отличаются в зависимости от данных, которые необходимо собрать. Сегодня наиболее распространены четыре вида ДЗЗ:

• Оптическое использует видимый, ближний инфракрасный и коротковолновой инфракрасный диапазоны спектра для получения изображений. Применяется для оценки лесного покрова, идентификации видов растений и мониторинга изменений.
• Термальное (оно же тепловое) измеряет инфракрасное излучение, исходящее от поверхности Земли. Используется для обнаружения лесных пожаров и оценки состояния лесов в зависимости от температурных изменений.
• Радиолокационное базируется на микроволновом излучении, что позволяет получать данные о поверхности планеты даже через облака и растительность. Основные задачи — это построение карты рельефа, оценка биомассы и влажности почвы.
• Мультиспектральное получает отражение в широком диапазоне спектральных полос, что позволяет детально анализировать химический состав растительности и почвы, выявлять стресс у растений и следить за состоянием биоразнообразия.

Как происходит обработка данных

Полученную информацию спутники и дроны передают на Землю с помощью радиоволн, которые компьютер преобразует в «сырую» картинку. Затем специалисты с помощью профессионального ПО редактируют файл — в результате получается изображение, каждый пиксель которого несёт информацию о координатах, высоте и других собранных параметрах.

После нейросети анализируют полученное изображение и ищут в нём индикаторы, которые указывают на возможные пожары, ветровалы и вырубки. Также алгоритмы по визуальным метрикам могут оценивать природный состав леса (или культур, если речь идёт о поле). Разница между спутниковыми и воздушными снимками беспилотников заключается только в том, какую площадь кодирует каждый пиксель, количество и качество выводов остаются теми же. Аэрофотосъёмка позволяет лишь точечно изучить объекты и участки меньшего размера, тогда как спутник даёт возможность сразу оценить большие объёмы леса.

Применение данных ДЗЗ в лесном хозяйстве

Один из значимых вкладов ДЗЗ в экономику — это способность точно и своевременно мониторить изменения лесного покрова. Спутниковые снимки, получаемые с регулярной периодичностью, позволяют отслеживать изменения лесных массивов, в том числе: фиксировать распространение заболеваний и гибель от вредных насекомых, выявлять незаконную вырубку, пожары и другие нарушения. А кадры с беспилотников дают возможность наблюдать динамику в деталях.

Картографирование лесного фонда

Одним из ключевых приложений ДЗЗ в лесном хозяйстве является создание чётких и подробных карт природных объектов. Специалисты могут с помощью спутниковых снимков и информации с беспилотников получать геоданные о площади и рельефе лесного покрова, составе экосистемы, запасах древесины.

Точное картографирование позволяет чётко планировать лесопользование и охрану, управлять лесными территориями, принимать обоснованные решения по предотвращению деградации леса и проведению восстановительных работ. Так, цифровые модели рельефа помогают изучать природные условия, препятствующие активной лесохозяйственной деятельности — например, выявлять заболоченные участки и бессточные котловины.

Предотвращение пожаров

Лесом покрыто почти две трети территории России, а общая площадь земель лесного фонда составляет около 1,2 млрд га. При этом в стране каждый год происходит более 10 тысяч лесных пожаров. Из-за этого страдает и окружающая среда, и экономика — ущерб оценивается в десятки миллиардов рублей. Основные потери — расходы на тушение и последующую расчистку горелых площадей, ущерб от гибели животных, загрязнения территорий продуктами горения, затраты на восстановление лесов.

ДЗЗ за счёт охвата больших территорий и регулярного обновления данных позволяет производить мониторинг любых изменений в реальном времени. Тепловые сенсоры обнаруживают термоточки — зоны площадью от нескольких десятков квадратных метров, температура которых значительно превышает прогнозируемую. Так специалисты могут оперативно, дистанционно, без выезда на местность обнаруживать очаги возгорания. А оптические и радиолокационные сенсоры применяют для оценки ущерба, нанесённого экосистемам. Это помогает в разработке эффективных мер по борьбе с пожарами и восстановлению пострадавших территорий.

Оценка биоразнообразия и здоровья лесов

С помощью спектральных сенсоров можно идентифицировать виды деревьев, определять породный состав, размеры и плотность лесного покрова, его текущее состояние и изменения с течением времени.

Данные, которые поступают со спутников и беспилотников, позволяют ранжировать леса по возрасту, запасу древесины, высоте древостоя, биологической продуктивности — эта информация полезна не только экологам для реализации природоохранных проектов, но и для производства. Кроме того, за счёт ДЗЗ специалисты могут следить за негативными процессами, воздействующими на лесные массивы. Различные виды зондирования позволяют находить участки, пострадавшие от вредителей и болезней, иссушения или переувлажнения.

Наконец, технология ДЗЗ помогает оценивать биомассу лесов, что важно для понимания их роли в карбоновом цикле. Эта информация критична как для оценки вклада деревьев в поглощение углерода, так и для разработки стратегий по смягчению последствий изменения климата.

Технология дистанционного зондирования Земли является одним из рабочих инструментов для поддержания здоровья лесов. С её помощью можно получать важные данные для отслеживания изменений лесного покрова, оценки биомассы, контроля за лесными пожарами и мониторинга биоразнообразия. Развитие технологий вкупе с интеграцией ДЗЗ с другими методами и подходами помогает значительно укрепить усилия по сохранению экосистем и смягчению последствий изменения климата.