Використання системи LiDAR з метою охорони природи у національних парках світу

Системи лазерного сканування вже давно та успішно використовуються за кордоном для картування і моніторингу навколишнього середовища.

Спектр застосування системи дуже широкий – від побудови 3D моделей, картування берегової лінії, прогнозування зсувів і повеней, вивчення місць існування тварин до оцінок наслідків різних впливів на навколишнє середовище.

Лідар (від англ. Аббревіатури «LiDAR» – Light Detection And Ranging) – оптичний прилад для дистанційного зондування водних і повітряних середовищ, а також твердих об’єктів. Назва створена за аналогією зі словом RADAR (Radio Detection And Ranging).

Також іноді використовується і абревіатура «LaDAR» (Laser Detection And Ranging).

Робота системи полягає у виявленні і визначенні відстані до об’єкту за допомогою лазеру. Лідар, крім лазеру, має телескоп з приймачем світла, систему реєстрації та обробки результатів зондування, різні пристрої управління і відображення інформації.

Принцип дії системи досить простий. На поверхню об’єкта надсилається короткий світловий імпульс і вимірюється час, через який сигнал повертається до джерела.

Перші моделі лідарів могли бути використані тільки на літаках або на великих БПЛА, але за минуле десятиріччя їх еволюція зробила крок далеко вперед, і тепер існують лідари, які можна використовувати на портативних дронах або носити у себе на спині у вигляді рюкзака, при цьому проводити сканування місцевості для створення цифрової моделі рельєфу та інших дослідницьких потреб.

Використання лідарів в Україні набирає обертів у будівельній справі та гірничодобувній промисловості. Однак, у природоохоронних цілях вони не використовуються як через високу вартість, так і через необізнаність представників природоохоронних організацій про існування і можливості даної системи. 1.Отже, давайте розберемося, чим же цікава дана технологія. 2.Останню проблему ми спробуємо вирішити у даній статі.

«Розвідка місцевості» за допомогою LiDAR дозволяє отримувати величезний масив даних і виявляти нові закономірності в найкоротші терміни.

 

Фото системи з лідаром з сайту vespadrones.com

 

Розглянемо декілька цікавих прикладів використання лідарів у справі вивчення та охорони природи.

У 2006 році в національному парку «Віргінські острови» (США, штат Флорида) було проведено велике дослідження рельєфу суші, берегової лінії і рельєфу морського дна за допомогою LiDAR для створення тривимірної моделі, а також для виявлення та візуалізації проблемних ділянок парку. Ідея створення тривимірної візуалізації полягала в тому, що не кожен мешканець США може відвідати цей парк і побачити коралові рифи. Створення доступної моделі дозволяє кожному побачити це надбання та підвищити інтерес, підтримку і цінність об’єкту у свідомості населення. Моніторинг і дослідження на основі великого масиву даних, отримати які іншим шляхом не є можливим через особливості рельєфу та природних умов парку, допомагає виявляти проблемні ділянки «Віргінських островів», з’ясувати причини деградації та вчасно вжити необхідні заходи.

Цифрова модель рельєфу на основі лідарних даних була побудована за допомогою програмного комплексу «ArcGIS». Зокрема, було використано додаток «ArcScene» і модуль «3D Analyst». Модель рельєфу дна була отримана завдяки розробленому NASA експериментальному лідару з можливістю сканування дна водойм Experimental Advanced Airborne Research Lidar (EAARL). Зараз цей лідар, перебуваючи на борту літального апарата дозволяє сканувати дно на глибині до 44 метрів.

Ще одним парком, який успішно використовував лідар в природоохоронних цілях є «Єллоустонський національний парк» (США). У 2015 році, там було завершено збір даних для ремонту доріг. У Єллоустонському парку близько 300 км доріг знаходяться в незадовільному стані. Неякісне дорожнє покриття не витримує обсягів сучасного руху. Сувора зимова погода та короткий сезон придатний для ремонту ускладнює дорожні роботи.

Протягом осіннього сезону за допомогою лідару були отримані хмари точок і супутні зображення з географічною прив’язкою. Точки були розділені на два класи «наземні» і «надземні». Точки в наземному класі використовувалися для вивчення дорожнього покриття, а «надземні» точки використовувалися для отримання інформації про стан огорож.

Отримані якісні дані допоможуть значно спростити процес оцінки обсягу робіт, необхідних для ремонту доріг.

 

Національний парк «Гранд-Тітон» (США, Вайомінг) з 2014 року веде глобальний моніторинг та управління ресурсами за допомогою лідарної технології.

Завдяки новим можливостям у парку провели ряд важливих наукових досліджень:

• Виконали детальний аналіз топографічних поверхонь для декількох проектів з облаштування парку, усунувши необхідність проведення контактних зйомок, що дозволило значно заощадити час та фінансові ресурси.
• Провели польові дослідження з метою моніторингу висоти льодовиків
• Створили тривимірну модель озера Дженні.
• Здійснили повний аналіз середовища існування різних видів шавлії.
• Дослідили лісові біотопи найбільш придатні для існування рисі.
• Оновили інформацію про рослинність парку за допомогою аналізу висоти рослин.

 

Також за допомогою лідарів у світі активно впроваджуються дослідження у галузі лісівництва. Технологія дозволяє вивчити щільність насаджень, склад, висоту, об’єм деревини та отримувати інші необхідні дані, значно скорочуючи час проведення польових досліджень і збільшуючи якість і обсяг отриманих даних.

 

Хмара точок лісового масиву. Візуалізація стоворена за допомогою онлайн сервісу plas.io, LiDAR данні отримані з сайту earthexplorer.usgs.gov

 

Лідар можна використовувати навіть для дослідження просторового розподілу тварин та комах. Так, вчені із Лундського університету (Швеція) застосували лідар для вивчення середовищ існування та розподілу бабок на невеликій ділянці річки у зв’язку з глобальним потеплінням та забрудненням водних ресурсів.

Для дослідження було виловлено кілька особин двох видів бабок Calopteryx splendens та C. Virgo. Їх пофарбували спеціальним безпечним флуоресцентним порошком різного кольору і відпустили на свободу. Використані фарби мають різну інтенсивність відбиття світлового сигналу, що надає можливість розуміти бабки якого виду потрапляють у лазерний промінь. У результаті дослідження було отримано багато цікавих даних про температурні вподобання, поведінку та активність бабок.

Дослідження мало метою показати, що можна вивчати не тільки місця існування, а й самих тварин, їхню чисельність, взаємовідносини статей, розселення і терміни життя, а також  будувати прогнози щодо локального зникнення та міграції у зв’язку з глобальним потеплінням та іншими факторами.

 

Тож бачимо, що використання лідарів у вивченні й охороні природи має величезні перспективи. Лідар дозволяє економити час, отримувати якісні дані з важкодоступних природних ділянок, будувати докладні тривимірні цифрові моделі рельєфу і відкриває нові перспективи у вивченні як місць існування тварин, так і їх поведінки, чисельності та перспективи розвитку популяцій. Сподіваємося, що такий вид досліджень буде широко використовуватися і на території України.