15/03/2023
0
Исследователи из Кембриджского университета разработали алгоритм, который дает точное измерение диаметра дерева — важное измерение, используемое учеными для мониторинга состояния леса и уровня связывания углерода.
Предоставлено: Кембриджский университет.
Алгоритм использует недорогие датчики LiDAR с низким разрешением, которые встроены во многие мобильные телефоны, и обеспечивает такие же точные, но гораздо более быстрые результаты, чем методы ручного измерения. Результаты опубликованы в журнале Remote Sensing .
Основным ручным измерением, используемым в лесной экологии, является диаметр дерева на уровне груди. Эти измерения используются для определения состояния здоровья деревьев и более широкой лесной экосистемы, а также того, сколько углерода поглощается.
Хотя этот метод надежен, поскольку измерения проводятся с земли, дерево за деревом, этот метод требует много времени. Кроме того, человеческий фактор может привести к отклонениям в измерениях.
«Когда вы пытаетесь выяснить, сколько углерода поглощает лес, эти наземные измерения чрезвычайно ценны, но отнимают много времени», — сказала первый автор Амелия Холкомб из Кембриджского факультета компьютерных наук и технологий. «Мы хотели знать, можем ли мы автоматизировать этот процесс».
Некоторые аспекты измерения леса могут быть выполнены с использованием дорогих датчиков LiDAR специального назначения, но Холкомб и ее коллеги хотели определить, можно ли проводить эти измерения с помощью более дешевых датчиков с более низким разрешением, таких как те, которые используются в некоторых мобильных телефонах.
Другие исследователи провели ряд исследований по измерению лесов с использованием датчиков этого типа, однако они были сосредоточены на высокоуправляемых лесах, где деревья стоят прямо, на равном расстоянии друг от друга, а подлесок регулярно вырубается. Холкомб и ее коллеги хотели проверить, могут ли эти датчики быстро, автоматически и на одном изображении выдавать точные результаты для неуправляемых лесов .
«Мы хотели разработать алгоритм, который можно было бы использовать в более естественных лесах и который мог бы работать с такими вещами, как низко висящие ветки или деревья с естественными неровностями», — сказал Холкомб.
Исследователи разработали алгоритм, который использует датчик смартфона LiDAR для автоматической оценки диаметра ствола по одному изображению в реалистичных полевых условиях. Алгоритм был включен в специально созданное приложение для Android-смартфона и может выдавать результаты практически в режиме реального времени.
Для разработки алгоритма исследователи сначала собрали собственный набор данных, вручную измерив деревья и сфотографировав их. Используя методы обработки изображений и компьютерного зрения , они смогли обучить алгоритм отличать стволы от крупных ветвей, определять, в каком направлении наклоняются деревья, и получать другую информацию, которая могла помочь уточнить информацию о лесах.
Исследователи протестировали приложение в трех разных лесах — по одному в Великобритании, США и Канаде — весной, летом и осенью. Приложение смогло обнаружить 100 % стволов деревьев и имело среднюю частоту ошибок 8 %, что сравнимо с частотой ошибок при ручном измерении. Однако приложение значительно ускорило процесс и было примерно в четыре с половиной раза быстрее, чем измерение деревьев вручную.
«Я был удивлен, что приложение так хорошо работает, — сказал Холкомб. «Иногда мне нравится бросать вызов особенно густому участку леса или дереву особенно странной формы, и я думаю, что это невозмо, но в итоге получается».
Поскольку инструмент измерения не требует специального обучения и использует датчики, которые уже встроены во все большее число телефонов, исследователи говорят, что он может быть точным и недорогим инструментом для измерения леса даже в сложных лесных условиях.
Исследователи планируют сделать свое приложение общедоступным для телефонов Android этой весной.
Сылка на оригинал статьи: Amelia Holcomb et al, Robust Single-Image Tree Diameter Estimation with Mobile Phones, Remote Sensing (2023). DOI: 10.3390/rs15030772
