Новый алгоритм для автоматического картирования лесов: от молнии к цифровому двойнику

Исследователи из Университета Пердью представили новый алгоритм для автоматического выделения отдельных деревьев из данных дистанционного зондирования леса. Вдохновением послужил принцип распространения молнии.

Принцип "пути наименьшего сопротивления"

"Когда молния движется с неба на землю, она находит путь наименьшего сопротивления в атмосфере", — объясняет Джошуа Карпентер, аспирант Школы гражданского строительства. Этот принцип был применён к цифровым данным леса (облаку точек).

"Если представить все точки в этом облаке как путь наименьшего сопротивления, это укажет на местоположение дерева", — говорит Карпентер. Концепция также работает с точки зрения биологии растений: "Каждый лист должен получать питательные вещества из земли. Мы находим кратчайший маршрут для них от кроны к земле".

Метод и точность

Алгоритм, опубликованный в журнале Remote Sensing, позволяет быстро и с высокой точностью картировать сотни акров леса вместо нескольких деревьев.

"Мы разработали новый алгоритм сегментации отдельных деревьев для инвентаризации больших площадей", — отмечает соавтор Джинха Джунг. Валидация включает полевые измерения деревьев и сопоставление с данными LiDAR (воздушного и наземного), собранными в разное время года.

Алгоритм показал значительно более высокую точность по большинству метрик по сравнению с существующими аналогами.

Технические вызовы и будущее

Команда работает с тремя типами данных, каждый со своими аномалиями:

• Фотограмметрия (3D из 2D фото)
• Воздушный LiDAR (хорошо захватывает кроны)
• Наземный LiDAR (лучше видит стволы)

"Цель — создать гибкий алгоритм, работающий со всеми типами облаков точек", — говорит Карпентер.

Работа в лесу Мартелл (400 акров) продолжается. Следующая задача — масштабирование. "Как перейти от сотен акров к тысячам, а затем к каждому дереву на планете? Это будущее", — говорит профессор Сонглин Фей.

Значение для лесного хозяйства

Технология позволяет перейти от выборочной инвентаризации (5–10% площади) к 100% переписи каждого дерева — "огромный скачок".

Создание цифровых двойников лесов открывает новые возможности:

• Моделирование последствий ледяных штормов, ветров
• Визуальное планирование вырубок: "В цифровом мире можно срубить любое дерево, а потом вернуть его. Это позволяет проводить симуляции и улучшать планирование".

Хотя алгоритм уже может измерять диаметр, предстоит решить задачи идентификации пород, оценки качества древесины и других параметров.

Более широкий контекст

Как геоданные революционизировали сельское хозяйство, так теперь они могут преобразовать лесное хозяйство — критически важную отрасль в условиях изменения климата, вспышек болезней (уничтоживших каштан и ясень) и катастрофических лесных пожаров.

"Мы успешно применили эти технологии в сельском хозяйстве. Теперь настала очередь других областей", — заключает Карпентер.