لیدار هوایی در جنگل های بارانی
به سمت یک سامانه پهپادی برای اندازه گیری ارتفاع چتر درختان
در سایت جنگلی تحقیقاتی Paracou در گینه فرانسوی، مجموعه ای از داده ها به منظور فراهم آوردن امکان درک و کمی سازی پویایی شناسی کوتاه مدت چتر جنگل های بارانی گرمسیری، در حال جمع آوری هستند. اسکن لیزری هوایی (ALS) برای بدست آوردن داده های دارای قدرت تفکیک مکانی بالا از ساختار چتر سه بعدی، مورد استفاده قرار گرفت. این داده ها به منظور ساخت یک مدل ارتفاعی از چتر بکار گرفته شده و اطلاعات ارزشمندی را در ارتباط با تراکم شاخ و برگ درختان فراهم می آورد. سیستم سنجنده می تواند روی یک وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد) سوار شود. پروژه گینه فرانسوی اثبات عملکرد مدل طراحی شده برای کاربردهای بیشتر این روش را به نمایش می گذارد.
در پروژه تحقیقاتی CANOPOR، موسسات پژوهشی مختلفی برای تهیه نقشه چتر درختان یک سایت جنگلی آزمایشی مشغول همکاری با هم هستند. تغییرات زمانی و مکانی مبادله گاز بین اتمسفر و پوشش گیاهی درون چتر، از موارد خاص مورد توجه آنها است. این مطالعات کلید فهم نقش جنگل ها در حفاظت از اکوسیستم محلی، و همچنین درک چگونگی پاسخ و تاثیرگذاری آنها به تغییرات جهانی آب و هوا، هستند. چتر جایی است که اتمسفر و پوشش گیاهی به فعل و انفعال می پردازند و در اصطلاح “ecotone” نامیده میشود، اما دسترسی به این ناحیه برای پژوهش مشکل است. بنابراین، شرکت نقشه برداری بریتانیایی Carbomap یک عملیات نقشه برداری از طریق اسکن لیزری هوایی را با روشی که پیشتر هرگز در مناطق گرمسیری بکار نرفته بود، به انجام رساند.
نقشه برداری از جنگل
بکارگیری ALS برای نقشه برداری از جنگل ها در تحقیقات دانشگاهی به خوبی تحت بررسی قرار گرفته و کاربردهای آن در امور تجاری نیز نوید ظهور یک صنعت رو به رشد را می دهند. ALS اجازه می دهد که داده های ساختار جنگلی با سطح جزئیاتی اخذ شوند که از طریق دیگر سیستم های سنجشی غالب به کار گرفته شده در مناطق گرمسیری، نظیر رادار یا سنجش از دور ماهواره ای، قابل دستیابی نیستند. این، امکان تهیه نقشه های سه بعدی و سنجه های دیگرمرتبط با جنگل، نظیر میزان کربن محاسبه شده و یا برآورد شده را به وجود آورده است. این فناوری را می توان در حوزه وسیعی از امور مرتبط با جنگلداری نظیر مدیریت و حفاظت از درختان، و مدیریت خطرات مرتبط با آتش سوزی، مورد استفاده قرار داد. یک محصول کلیدی برای چنین کاربردهایی مدل ارتفاعی چتر درختان است که ارتفاع شاخ و برگ درختان نسبت به زمین را توصیف می کند. این از طریق تفریق ارتفاع مدل زمینی از ارتفاع مطلق شاخ و برگ درختان قابل محاسبه است.
سامانه اسکن لیزری
شرکت فرانسوی L’Avion Jaune سامانه اسکن لیزری YellowScan که برای پروژه نقشه برداری از جنگل ها مورد استفاده قرار گرفته بود را به وجود آورده است. این سیستم یک اسکنر لیزری همه کاره است که برای سوار شدن روی پهپادها و یا هر نوع هواپیمای فوق سبک دیگر، طراحی شده است. وزن آن کمتر از ۲ کیلوگرم است و از یک سر اسکنر لیزری، یک واحد اندازه گیری داخلی مبتنی بر فناوری MEMS و یک گیرنده GPS از رده حرفه ای، تشکیل شده است. به منظور ایجاد امکان عملیاتی شدن آن روی پهپادها، مصرف انرژی آن بسیار پایین بوده و ابعاد فشرده ای معادل ۲۰*۲۰*۱۵ سانتیمتر مکعب دارد. این اسکنر قابلیت عملکردی تا ارتفاع ۱۵۰ متر بالای سطح زمین، با قدرت تفکیک ۱۰ سانتیمتر مربع در سرعت پرواز ۵۰ کیلومتر بر ساعت را دارد. اندازه زاویه اسکن معمولاً در حدود ۵۰± درجه است. دقت مکانی این سامانه از ۳۰ سانتیمتر تا ۱ متر است، در حالیکه دامنه دقت اسکنر ۱۰ سانتیمتر است. YellowScan برای هر پالس سه بازگشت را فراهم می آورد. این به استخراج اطلاعات زمینی زیر پوشش گیاهی کمک می کند، چرا که با وجود پالس های بیشتر احتمال ثبت نقاط زیر شاخ و برگ درختان افزایش می یابد. این روش، به نوبه خود برای تولید یک مدل ارتفاعی از چتر درختان که بر یک مدل رقومی دقیق زمینی تکیه دارد، نیز بسیار مهم و ضروری است.
اخذ داده ها
داده های مربوط به مدل ارتفاعی چتر درختان از طریق سوار کردن سامانه YellowScan روی یک هلیکوپتر جمع آوری شد. دلیل استفاده از هلیکوپتر، فراهم آوردن قابلیت آزمایش مشخصات پروازی و سناریوهای مختلف بود. اولین چیزی که در هنگام انجام آزمایشات شبیه سازی یک پهپاد باید در نظر گرفته می شد، ارتفاع و سرعت کم پرواز این پرنده بود. با موفق بودن عملکرد مدل طراحی شده، L’Avion Jaune ادغام کامل سامانه YellowScan با یک سکوی پهپادی را آغاز نمود. هلیکوپتر چند نوار آزمایشی را برای پوشش مساحت تقریبی ۰٫۳۵ کیلومتر مربع پرواز نمود و در طول این پرواز، مجموعاً بیش از ۶۰۰۰۰۰ نقطه جمع آوری شد. شکل ۱ یک پرواز متقاطع برای اسکن داده های جنگلی را نشان می دهد. L’Avion Jaune در طول این پرواز و برای مکان یابی از طریق RTK از ایستگاه مبنای خود بهره گرفت. اگرچه، در اثر بروز برخی مشکلات فنی مرتبط با ارتباط رادیویی این روش به تصحیح SBAS تغییر یافت. در حالی که هیچ نقطه کنترل زمینی ای برای این پروژه مورد استفاده قرار نگرفت، یک مجموعه داده لیدار نیز در همان هفته جمع آوری شد تا داده های لیدار پهپادی و این دو مجموعه با هم منطبق باشند.
برای ایجاد مدل ارتفاعی چتر درختان، Carbomap مدل زمین را از ابر نقاط استخراج نمود. چالش خاص این پروژه، تراکم بالای شاخ و برگ درختان این جنگل بود که شناسایی زمین را با مشکلاتی مواجه می ساخت. به منظور غلبه بر این مشکل، Carbomap الگوریتمی را برای شناسایی نقاط روی زمین ایجاد نمود. به طور کلی، تنها ۶۷۳ نقطه از ۶۰۰۰۰۰ پالس بازگشتی مرتبط با زمین تشخیص داده شدند. دقت به دست آمده از DTM، RMSE کلی ای در حدود ۰٫۰۹۶ متر، بایاس ۰٫۰۱ متر و انحراف معیار ارتفاعی زمین ۶٫۹ متر داشت. اینها از طریق تعیین اختلاف بین لایه شبکه زمینی و نقاط زمینی شناسایی شده، محاسبه شدند.
پردازش
به محض استخراج DTM از ابر نقاط، مدل ارتفاعی چتر درختان از طریق ارتفاع درختان بالای سطح زمین، تعیین شد. شکل ۲ نمایشی از نتایج را ارائه می دهد. مراحل بعدی در جریان کاری نقشه برداری از جنگل ها، استخراج سایر سنجه های جنگلی از داده ها بود. مقدار زیست توده بالای زمین و کربن ذخیره شده در منطقه جنگلی، مثال هایی از این موارد هستند. اگر مجموعه داده های متعددی در طول زمان در دسترس باشند، می توان تحولات پوشش جنگل را نیز برای محاسبه تغییرات کربن جنگلی، اندازه گیری نمود.
به سمت پهپادها
اگرچه سامانه اسکن به کار گرفته شده در این پروژه روی هلیکوپتر سوار شد، برای نصب روی یک پهپاد نیز بهینه سازی شده بود. به منظور بررسی عملکرد مدل طراحی شده برای نقشه برداری با پهپاد، هلیکوپتر از پارامترهای پروازی یک پهپاد معمولی استفاده کرد. بکارگیری پهپادها برای این نوع از کار در مقایسه با استانداردهای جاری این صنعت که از یک هواپیمای کامل برای نقشه برداری به کمک ALS استفاده می کند، مناسب تر است. ارتفاع پرواز یک پهپاد به میزان قابل توجهی کمتر از یک هواپیمای نقشه برداری معمولی است، که به غلبه بر مشکلات ناشی از وجود ابرها و یا تداخلات اتمسفری در مناطق گرمسیری کمک می کند. همچنین، پهپادها با سرعت بسیار کمتری نسبت به هواپیماهای معمولی پرواز می کنند، که این به معنای امکان دست یابی با تراکم نقاط بسیار بالاتر است. نتیجه، یک سامانه مقرون به صرفه تر است که بطور خاص برای استفاده در کشورهای در حال توسعه که به کارگیری اسکن لیزری هوایی در آنها می تواند هزینه گزافی داشته باشد، مناسب است.
توسعه
بکارگیری روش تعریف شده در پروژه پهپادی فوق برای نقشه برداری از جنگل ها و نشان دادن کاربرد آن در گستره متفاوتی از انواع نواحی جنگلی، در سایر مناطق دنیا در حال انجام است. Carbomap به پیشبرد استفاده از پهپادها در نقشه برداری جنگلی، به عنوان یک گزینه کم هزینه برای نقشه برداری از نواحی کوچک جنگلی، کمک می کند. بطور همزمان، تحقیق و توسعه در حوزه فناوری نقشه برداری لیزری ادامه دارد. به عنوان مثال، اسکن لیزری موج کامل، می تواند برای استخراج داده های زیر چتر درختان در مناطق جنگلی، که بطور خاص برای نقشه های مرتبط با خطر آتش سوزی مفید است، بکار گرفته شود. تلفیق سنجش از دور چند طیفی با اطلاعات ساختار سه بعدی به دست آمده از اسکن لیزری، نیز در دست توسعه است. این اطلاعات بیوفیزیکی در ارتباط با مقطع سه بعدی کاملی از چتر جنگلی که در بردارنده طبقات زیرین و لایه بالایی چتر است، را فراهم خواهد نمود.
