برآورد ارتفاع تک درختان با استفاده از تصاویر پهپاد RTK و الگوریتم بیشینه محلی

سابقه و هدف: خصوصیات ساختاری درخت ازنظر زیستی و اقتصادی، اهمیت بسیاری دارد. ازجمله این ویژگی ها می توان به ارتفاع اشاره کرد که یک مولفه مهم برای اندازه گیری حجم توده جنگل محسوب می شود. اندازه گیری ارتفاع درخت، به عنوان یکی از پیچیده ترین و پرهزینه ترین متغیرها در پژوهش های بوم شناسی و جنگل داری، نیازمند دانش تخصصی و تجربه حرفه ای است. پهپادها به دلیل برخورداری از مزایایی مانند هزینه اندک، سهولت پردازش، قابلیت تکرار و نیز داده های به روز، نقش بسیار مهمی در جمع آوری و تامین اطلاعات موردنیاز در آماربرداری جنگل دارند. پژوهش پیش رو با هدف بررسی توانایی پهپاد فانتوم ۴ در اندازه گیری ارتفاع درختان سرو نقره ای (Hesperocyparis arizonica (Greene) Bartel) بدون نقاط کنترل زمینی و با استفاده از الگوریتم بیشینه محلی (Local Maxima Algorithm) انجام شد. مواد و روش ها: این پژوهش در جنگل کاری های سرو نقره ای در شهرستان کرمانشاه انجام شد. از یک پهپاد فانتوم ۴ مجهز به سیستم RTK استفاده شد که دوربینی با سنسور یک اینچ ۲۰ مگاپیکسلی CMOS و توان تفکیک مکانی در حد سانتی متر (در ارتفاع پرواز ۱۰۰ متری معادل ۷/۲ سانتی متر است) دارد. یکی از ویژگی های منحصربه فرد این پهپاد، تعبیه ماژول RTK بر روی آن است که سبب دریافت موقعیت افقی و عمودی داده ها به صورت آنی می شود. همچنین، این پهپاد به یک گیمبال سه محوره مجهز است که لرزش های آن هنگام پرواز را به حداقل می رساند. ازسوی دیگر، شاتر مکانیکی موجود در آن، نقش موثری در کاهش خطای ناشی از لرزش در زمان تصویربرداری دارد. علاوه بر ماژول RTK، استفاده از سیستم موقعیت یاب GNSS سبب حفظ دقت داده های حاصل از این پرنده حتی در محیط های بسته مانند مناطق شهری تا حدود زیادی می شود. در این پژوهش، از الگوریتم بیشینه محلی برای شناسایی تک درختان در یک عرصه با استفاده از مدل ارتفاعی تاج (CHM) استفاده شد. برای جمع آوری داده های زمینی، ۹۸ اصله درخت پس از بازدید از منطقه مورد مطالعه انتخاب شدند. ارتفاع درخت با استفاده از دستگاه لیزر لایکا S۹۱۰ اندازه گیری شد. از آزمون t جفتی برای کنترل امکان اندازه گیری ارتفاع درختان با مدل ارتفاع تاج استفاده شد. برای این منظور، ارتفاع درختان روی زمین و ارتفاع درختان در مدل ارتفاع تاج با اطمینان ۹۵ درصد مقایسه شد. سپس، با استفاده از یک مدل رگرسیون خطی، ارتباط بین ارتفاع اندازه گیری شده درختان و ارتفاع برآوردشده (با استفاده از الگوریتم بیشینه محلی) بررسی شد. نتایج: مدل رقومی ارتفاع، مدل رقومی سطح، اورتوموزاییک و مدل ارتفاعی تاج به دست آمد. باتوجه به فاصله به نسبت زیاد بین درختان، می توان تک درختان را به طور کامل شناسایی کرد. نتایج نشان داد که با استفاده از الگوریتم بیشینه محلی می توان همه درختان مورد مطالعه (۹۸ درخت) را به طور کامل شناسایی و مکان آن ها را تعیین کرد. کمینه، بیشینه و میانگین ارتفاع درختان در منطقه مورد مطالعه به ترتیب ۳۲/۱، ۸۴/۵ و ۷۸/۳ متر بودند، درحالی که کمینه، بیشینه و میانگین ارتفاع اندازه گیری شده توسط پهپاد به ترتیب برابر با یک، ۶۵/۵ و ۷/۳ متر به دست آمد. براساس نتایج آزمون کولموگروف- سمیرنوف، هر دو مجموعه داده اندازه گیری شده و برآورد شده، توزیع نرمال داشتند. همچنین، نتایج آزمون t جفتی نشان داد که ارتفاع به دست آمده از روش اندازه گیری زمینی به طور معنی داری بیشتر از ارتفاع استخراج شده از مدل ارتفاعی تاج است. براساس تحلیل رگرسیون، مشخص شد که بین ارتفاع اندازه گیری شده و ارتفاع برآوردشده درختان با استفاده از الگوریتم بیشینه محلی، همبستگی خطی قوی و مثبت وجود دارد (R² = ۰.۹۶). به علاوه، خطای محاسبه شده (RMSE = ۰.۲۶) بسیار کم به دست آمد. نتیجه گیری کلی: براساس نتایج این پژوهش می توان گفت که تصاویر پهپادی مورد استفاده و تجزیه وتحلیل آن ها با الگوریتم بیشینه محلی می تواند با صرف زمان و هزینه کمتری، موقعیت دقیق مکانی درختان را شناسایی کند. همچنین، این روش برآورد قابل قبولی از ارتفاع درختان در اختیار مدیران جنگل قرار می دهد.

کلیدواژه ها:

الگوریتم ، جنگل ، فانتوم ، فتوگرامتری ، مدل ارتفاعی تاج ، موقعیت یابی آنی