Картирование спектральной динамики растительности с высоким пространственным разрешением в трехмерном пространстве с использованием компьютерного зрения

Трехмерные (3D) измерения растительности с высоким пространственным разрешением методом дистанционного зондирования способствуют развитию экологических исследований и природоохранного управления. Однако значительные экономические и логистические затраты ограничивают применение этого подхода, особенно для наблюдения за фенологической динамикой структуры экосистем и спектральных характеристик. Здесь мы демонстрируем новую систему дистанционного зондирования с воздуха, обеспечивающую регулярные и недорогие трехмерные измерения структуры полога и спектральных характеристик, по свойствам сходные с измерениями LIDAR, но предоставляющую спектральные характеристики RGB (красный–зеленый–синий) для каждой точки и тем самым позволяющую проводить высокочастотные наблюдения в течение одного вегетационного сезона. Методология «Ecosynth» применяет фотограмметрические алгоритмы компьютерного зрения «Structure from Motion» к большим наборам сильно перекрывающихся аэрофотоснимков, полученных с малой высоты (< 130 м) с помощью серийных цифровых камер, установленных на недорогой (< 4000 долл. США), легкой (< 2 кг) беспилотной авиационной системе (UAS) любительского класса. Трехмерные облака точек Ecosynth с плотностью 30–67 точек м− 2 были созданы с использованием коммерческого программного обеспечения для компьютерного зрения на основе цифровых фотографий, многократно полученных с помощью UAS над тремя участками умеренного лиственного леса площадью 6,25 га каждый (250 м × 250 м) в штате Мэриленд, США. Облака точек Ecosynth были геопривязаны с точностью 1,2–4,1 м по горизонтальной радиальной среднеквадратической ошибке (RMSE) и 0,4–1,2 м по вертикальной RMSE. Цифровые модели рельефа подлеска (DTM) и модели высоты полога (CHM) были построены по облакам точек в состоянии с листьями и без листьев с использованием процедур, обычно применяемых к облакам точек LIDAR. На двух участках CHM Ecosynth были надежными предикторами высоты деревьев, измеренной в полевых условиях (R2 от 0,63 до 0,84), и сильно коррелировали с CHM LIDAR (R 0,87), полученной за 4 дня до этого, хотя оценки надземной биомассы и плотности углерода на основе Ecosynth содержали значительные ошибки (31–36% оценок, полученных в полевых условиях). Повторное сканирование лесного участка размером 50 м × 50 м в шесть различных моментов в течение 16 месяцев показало…