Геопортал ForestScan для пространственной оценки сквозистости древесного полога по данным воздушного лазерного сканирования

Пространственная неоднородность древесного полога определяет световые условия под пологом и влияет на возобновление леса и распределение растительности. Одной из характеристик этих условий является сквозистость древостоя, учитывающая просветы между кронами и внутри них (Ипатов и др., 1979). Традиционные наземные измерения дают локальные оценки, тогда как воздушное лазерное сканирование позволяет описывать трехмерную структуру леса на больших площадях. Для практического применения таких данных необходим доступный инструмент, объединяющий обработку облаков точек лазерных отражений (ТЛО) и картографическое представление результатов.
Представлен разработанный геопортал ForestScan (https://gis.forestscan.ru), предназначенный для пространственной оценки сквозистости древесного полога по данным воздушного лазерного сканирования. Геопортал является вычислительным и картографическим компонентом системы оценки фитоклимата леса, создаваемой для сотрудников особо охраняемых природных территорий и исследователей. Информационный сайт проекта (https://forestscan.ru) обеспечивает доступ к описанию объектов исследований, методическим материалам, результатам и новостям.
Пользовательский сценарий включает регистрацию, загрузку классифицированного облака точек в формате LAS и границы исследуемой территории в формате SHP, просмотр пространственных данных, запуск серверного алгоритма и отображение полученной растровой модели сквозистости в формате GeoTIFF. Реализованы картографические подложки, навигация и демонстрационный режим с подготовленными тестовыми наборами данных. Такой режим позволяет познакомиться с работой системы до загрузки собственных материалов. Обработка выполняется на сервере, что дает пользователю возможность работать с расчетным алгоритмом через веб-интерфейс.
Методика построения растровой модели включает пять последовательных этапов. На вход поступают классифицированное облако ТЛО в формате LAS и полигон границы территории в формате SHP. Сначала данные подготавливаются: облако разбивается на виртуальные пространственные фрагменты (тайлы), чтобы организовать обработку больших массивов. Затем в пределах территории формируется регулярная сетка локальных точек наблюдения с координатами X, Y и Z. Для каждой точки извлекается окружающий фрагмент облака и выполняется его вокселизация — представление трехмерной структуры полога в виде объемных трехмерных ячеек. На следующем этапе алгоритм моделирует сферическую проекцию полога: ячейки переводятся в относительные координаты, а по распределению занятых и свободных направлений вычисляется доля открытого пространства. Полученные локальные значения сквозистости агрегируются и записываются в геопривязанную растровую модель GeoTIFF. В геопортале пользователь задает исходные данные и запускает обработку на сервере, а затем просматривает результат на карте. Для проверки интерпретации расчетной модели ее сопоставляли с полевыми оценками светового режима, полученными по экологической шкале Ландольта на пробных площадях; для объектов в Тверской области на территории международного полевого стационара «Мухрино» получены статистически значимые положительные связи: коэффициенты Спирмена составили 0,68 и 0,93, Пирсона — 0,87 и 0,96 (p < 0,01) соответственно.
Клиент-серверная архитектура разделяет картографический интерфейс, вычислительное ядро, базу данных и файловое хранилище. Интерфейс построен на Leaflet, серверная часть — на Python FastAPI, вычислительные процедуры обработки облаков точек — на R и lidR, база данных — PostgreSQL. Контейнеризация Docker обеспечивает совместную работу компонентов. Практическая ценность ForestScan — доступ к воспроизводимой цепочке обработки ТЛО и карте сквозистости без необходимости самостоятельно настраивать специализированное программное обеспечение. Геопортал рассчитан на исследователей и сотрудников особо охраняемых природных территорий и может поддерживать выбор участков полевых работ, сопоставление условий под пологом и дальнейшую оценку фитоклимата леса.

Работа выполняется при поддержке Президентского фонда природы в рамках проекта ЭКО-26-2-000303 «Инновационная система оценки фитоклимата леса в ООПТ на основе воздушного лазерного сканирования».