Проявление эффектов разрежения облаков точек при анализе данных наземного лазерного сканирования подроста хвойных пород

К настоящему времени широкое распространение получила практика определения значений параметров древостоев и создания трехмерных функциональных моделей деревьев на основе данных активного зондирования в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. Наземное лазерное сканирование используется в лесоведении и лесном хозяйстве как для формирования реалистичных геометрических описаний объектов на компактных участках (например, на постоянных пробных площадях), так и для уточнения значений параметров древостоев, полученных в результате обработки данных авиационной лидарной и пассивной мультиспектральной съемки по обширным территориям (Кабонен, Иванова, 2023, Fu et al., 2022). При этом из-за ограниченных возможностей использования авиаплатформ в отдельных районах сканы с аппаратуры наземного базирования остаются основными материалами, фиксирующими пространственное положение, форму и размеры компонентов лесного полога и напочвенного покрова. Для покрытия значительных по площади участков требуется большое количество точек стояния и, соответственно, существенные затраты временных и вычислительных ресурсов. В случаях, когда набор исследуемых параметров древостоев невелик, сохраняется возможность оптимизации использования ресурсов за счет увеличения расстояния между станциями. Однако влияние возрастающей при этом фрагментарности получаемых облаков точек на качество оценки параметров нуждается в дополнительном исследовании.
Работа направлена на изучение эффектов, вызванных разрежением облаков точек при уменьшении числа станций наземного лазерного сканирования, в контексте решения задачи определения параметров древостоев. Акцент в исследовании сделан на хвойном подросте, отличающемся, с одной стороны, правильными формами крон (что положительно влияет на возможность автоматизации обработки данных), и, с другой стороны, их густотой и тесным примыканием фитоэлементов друг к другу (что затрудняет распознавание образов). Наиболее подробно рассмотрен этап сегментации облака точек с его разделением на области, соответствующие конкретным деревьям. Исходные данные для исследования получены на участке в границах квартала 64 Сосновского участкового лесничества (Ленинградская область), занятом преимущественно сосновым подростом. Съемка выполнена в июле 2026 г. с помощью лазерного сканера Trimble X7 наземного базирования. Для уравнивания, очистки и слияния сканов задействовано распространяемое на бесплатной основе программное обеспечение Cloud Compare. Углубленная обработка полученных облаков точек осуществлялась посредством использования программного кода, написанного на языке R, с дополнительными библиотеками. Сегментация облаков точек выполнялась с помощью алгоритма, описанного в работе (Dalponte, Coomes, 2016), и алгоритма на основе операций морфологической обработки изображений, разработанного автором.
Для сцен, характеризующихся компактным групповым расположением деревьев со значительными расстояниями между группами, использование данных с нескольких станций не дало значительного преимущества в точности сегментации по сравнению с вариантом использования данных с отдельно взятой станции (значения F-score составляют около 0,85). Однако, как и предполагалось, в зонах с меньшим расстоянием между группами во втором случае наблюдается полный пропуск отдельных крон, расположенных на расстоянии более 10 м от сканера, или включение их в состав других сегментов. Также выявлено смещение некоторых вершин (максимальных высот в границах крон). При использовании обоих алгоритмов применительно к сосновому подросту для получения удовлетворительных результатов сегментации требуется предварительное сглаживание облака точек (по высотным отметкам). Сокращение числа пропусков оказалось возможным за счет введения в авторский алгоритм учета количества вокселей, заполненных фитоэлементами, в вертикальном и горизонтальных направлениях. Худшие результаты сегментации получены в зонах, где молодые деревья расположены в линию максимально плотно друг к другу. Отмечено, что влияние разрежения облаков точек становится более существенным на этапах детектирования стволов и оценки диаметра.