Lesnoy Vestnik / Forestry BulletinLesnoy Vestnik / Forestry BulletinЛесной вестник / Forestry Bulletin2542-1468Eco-Vector70691810.18698/2542-1468-2024-3-57-66Biological and technological aspects of forestryБиологические и технологические аспекты лесного хозяйстваResearch ArticleForestry crops assessment by using unmanned aerial vehicleОценка состояния лесных культур с использованием беспилотного летательного аппаратаKabonenAleksey V.КабоненАлексей Валерьевич
Russian Federation

Director of the Center for Digital Monitoring of Northern and Arctic Ecosystems

директор Центра цифрового мониторинга северных и арктических экосистем

alexkabonen@mail.ruGryaz’kinAnatoliy V.ГрязькинАнатолий Васильевич
Russian Federation

Dr. Sci. (Biology), Professor of the Department of Forestry

д-р биол. наук, профессор кафедры лесоводства

alexkabonen@mail.ruGavrilovaOl’ga I.ГавриловаОльга Ивановна
Russian Federation

Dr. Sci. (Agriculture), Professor of the Department of Technology and Organization of the Forestry Complex

д-р с.-х. наук, профессор кафедры технологии и организации лесного комплекса

alexkabonen@mail.ruPetrozavodsk State UniversityФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет»St. Petersburg State Forest Engineering UniversityФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет»2906202428357662804202628042026Copyright ©; 2024, Kabonen A.V., Gryaz’kin A.V., Gavrilova O.I.Copyright ©; 2024, Кабонен А.В., Грязькин А.В., Гаврилова О.И.2024Kabonen A.V., Gryaz’kin A.V., Gavrilova O.I.Кабонен А.В., Грязькин А.В., Гаврилова О.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/2542-1468/article/view/706918

Data on the growth and development of 23-year-old forest crops created by sowing and planting seedlings with a root-balled tree system on the territory of the Karelia Republic are presented. Using photogrammetric processing of data from an unmanned aerial vehicle (DJI Mavic Mini 2), an image plan of forestry crops was constructed and the quantitative distribution of tree species was determined. It was established that in all experimental areas, young stands with a predominance of Scots pine had been formed. It is shown that the use of algorithms for automated search for trees in dense point clouds makes it possible to detect 91 % of trees from the total mass of the point cloud and determine their height. The main identified characteristics of forest stands, determined using UAVs and the ground technique, differed within the limits of measurement accuracy.

Представлены данные о росте и развитии 23-летних лесных культур, созданных посевом и посадкой саженцев с закрытой корневой системой на территории Республики Карелия. Посредством фотограмметрической обработки данных с беспилотного летательного аппарата (DJI Mavic Mini 2) построен ортофотоплан лесных культур и определено количественное распределение древесных пород. Установлено, что на всех опытных участках сформировались молодняки с преобладанием сосны обыкновенной. Показано, что использование алгоритмов автоматизированного поиска деревьев по плотным облакам точек позволяет детектировать 91 % деревьев из общей массы облака точек и определять их высоты. Основные выявленные характеристики древостоев, определяемые с помощью БПЛА и наземным методом, различались в пределах точности измерений.

forestry cropsgrowth and developmentunmanned aerial vehicleлесные культурырост и развитиебеспилотный летательный аппаратМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation075-03-2023-128The work was carried out under the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. 075-03-2023-128).Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 075-03-2023-128).Sokolov A.I. Lesovosstanovlenie na vyrubkah Severo-Zapada Rossii [Reforestation in the clearings of the North-West of Russia]. Petrozavodsk: KarNTs RAN, 2006, 215 p.Соколов А.И. Лесовосстановление на вырубках Северо- Запада России. Петрозаводск: Изд-во Карельского научного центра РАН, 2006. 215 с.Sokolov A.I. Povyshenie resursnogo potenciala taezhnyh lesov lesokul’turnymi metodami [Increasing the resource potential of taiga forests by silvicultural methods]. Petrozavodsk: Karelian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2016, 178 p.Соколов А.И. Повышение ресурсного потенциала таежных лесов лесокультурными методами. Петрозаводск: Изд-во Карельского научного центра РАН, 2016. 178 с.Gavrilova O.I., Pak K.A., Morozova I.V., Yurieva A.L. Formirovanie iskusstvennyh sosnovyh drevostoev v usloviyah karel’skoy taezhnoy zony [Formation of artificial pine stands in the conditions of the Karelian taiga zone]. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal), 2017, no. 4, pp. 23–33.Гаврилова О.И., Пак К.А., Морозова И.В., Юрьева А.Л. Формирование искусственных сосновых древостоев в условиях карельской таежной зоны // ИзВуз Лесной журнал, 2017. № 4. С. 23–33.Morozova I.V., Gavrilova O.I. Zakonomernosti rosta lesnyh kul’tur sosny na nachal’nyh stadiyah rosta (1–5 god) na vyrubkah yuzhnoy Karelii [Patterns of growth of pine forest plantations at the initial stages of growth (1–5 years) in the clearings of southern Karelia]. Uchenye zapiski Petrozavodskogo gosudarstvennogo universiteta. Series: Natural and technical sciences, 2011, no. 2 (115), pp. 75–78.Морозова И.В., Гаврилова О.И. Закономерности роста лесных культур сосны на начальных стадиях роста (1–5 год) на вырубках южной Карелии // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки, 2011. № 2 (115). С. 75–78.Fetisova A.A., Gryaz’kin A.V., Kovalev N.V., Gutal’ M. Otsenka estestvennogo vozobnovleniya khvoynykh porod na sploshnykh vyrubkakh v usloviyakh Roshchinskogo lesnichestva [Evaluation of natural regeneration of conifers in clear cuts in the conditions of Roshchinsky forestry]. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal), 2013, no. 6 (336), pp. 9–18.Фетисова А.А., Грязькин А.В., Ковалев Н.В., Гуталь М. Оценка естественного возобновления хвойных пород на сплошных вырубках в условиях Рощинского лесничества // ИзВуз Лесной журнал, 2013. № 6 (336). С. 9–18.Belova E.I., Ershov D.V. Opyt otsenki estestvennogo lesovosstanovleniya na sploshnykh vyrubkakh po vremennym ryadam Landsat [Experience in assessing natural reforestation in clear cuts according to Landsat time series]. Lesovedenie, 2015, no. 5, pp. 339–345.Белова Е.И., Ершов Д.В. Опыт оценки естественного лесовосстановления на сплошных вырубках по временным рядам Landsat // Лесоведение, 2015. № 5. С. 339–345.Akovetsky V.G., Afanasyev A.V. Metody i tekhnologii interpretatsii aerokosmicheskikh monitoringovykh nablyudeniy lesnoy rastitel’nosti [Methods and technologies for forest vegetation aerospace monitoring interpretation]. Lesnoy vestnik / Forestry Bulletin, 2020, vol. 24, no. 2, pp. 29–36. DOI: 10.18698/2542-1468-2020-2-29-36Аковецкий В.Г., Афанасьев А.В. Методы и технологии интерпретации аэрокосмических мониторинговых наблюдений лесной растительности // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2020. Т. 24. № 2. С. 29–36.Denisov S.A., Domrachev A.A., Elsukov A.S. Opyt primeneniya kvadrokoptera dlya monitoringa vozobnovleniya lesa [Experience of using a quadrocopter to monitor forest renewal]. Vestnik PGTU. Ser. Les. Ekologiya. Prirodopol’zovanie [Vestnik of Perm State Technical University. Ser. Forest. Ecology. Nature Management], 2016, no. 4 (32), pp. 34–46Денисов С.А., Домрачев А.А., Елсуков А.С. Опыт применения квадрокоптера для мониторинга возобновления леса // Вестник ПГТУ. Серия Лес. Экология. Природопользование, 2016. № 4 (32). C. 34–46.Vogel’ D.K., Yuferev V.G. Otsenka lesnykh nasazhdeniy Volgo-Akhtubinskoy poymy na osnove fotogrammetricheskoy obrabotki dannykh tsifrovoy aeros’emki [Evaluation of forest plantations of the Volga-Akhtuba floodplain based on photogrammetric processing of digital aerial survey data]. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrarnogo univ. kompleksa [News of the Nizhnevolzhsky Agrarian University Complex], 2018, no. 3 (51), pp. 203–209.Вогель Д.К., Юферев В.Г. Оценка лесных насаждений Волго-Ахтубинской поймы на основе фотограмметрической обработки данных цифровой аэросъемки // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса, 2018. № 3 (51). С. 203–209.Galetskaya G.A., V’yunov M.V., Zhelezova S.V., Zavalishin S.I. Vozmozhnosti obrabotki i analiza dannykh sverkhlegkogo BPLA SenseFly eBee v lesnom khozyaystve [Possibilities of data processing and analysis of ultralight UAV SenseFly eBee in forestry]. Interexpo Geo-Siberia, 2015, no. 4, pp. 11–18.Галецкая Г.А., Вьюнов М.В., Железова С.В., Завалишин С.И. Возможности обработки и анализа данных сверхлегкого БПЛА SenseFly eBee в лесном хозяйстве // Интерэкспо ГЕО-Сибирь, 2015. № 4. C. 11–18.Nizametdinov N.F., Moiseev P.A., Vorob’ev I.B. Lazernoe skanirovanie i aerofotos’emka s BPLA v issledovanii struktury lesotundrovykh drevostoev Khibin [Laser scanning and aerial photography from UAVs in the study of the structure of forest-tundra stands of the Khibiny]. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal), 2021, no. 4, pp. 9–22. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-9-22Низаметдинов Н.Ф., Моисеев П.А., Воробьев И.Б. Лазерное сканирование и аэрофотосъемка с БПЛА в исследовании структуры лесотундровых древостоев Хибин // ИзВуз Лесной журнал, 2021. № 4. С. 9–22. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-4-9-22.Alonzo M., Andersen H.E., Morton D.C., Cook B.D. Quantifying Boreal Forest Structure and Composition Using UAV Structure from Motion. Forests, 2018, v. 9(3), art. 119. DOI: 10.3390/f9030119Alonzo M., Andersen H.E., Morton D.C., Cook B.D. Quantifying Boreal Forest Structure and Composition Using UAV Structure from Motion // Forests, 2018, v. 9(3), art. 119. DOI: 10.3390/f9030119Alekseev A.S., Danilov Yu.I., Nikiforov A.A., Guzyuk M.E., Kireev D.M. Opyt primeneniya bespilotnogo letatel’nogo apparata dlya inventarizatsii i otsenki opytnykh lesnykh kul’tur Lisinskoy chasti uchebno-opytnogo lesnichestva Leningradskoy oblasti [Experience in using an unmanned aerial vehicle for inventory and assessment of experimental forest crops of the Lisinsky part of the educational and experimental forestry of the Leningrad region]. Trudy Sankt-Peterburgskogo nauchno-issledovatel’skogo instituta lesnogo khozyaystva [Proceedings of the St. Petersburg Scientific Research Institute of Forestry], 2020, no. 2, pp. 46–48.Алексеев А.С., Данилов Ю.И., Никифоров А.А., Гузюк М.Е., Киреев Д.М. Опыт применения беспилотного летательного аппарата для инвентаризации и оценки опытных лесных культур Лисинской части учебно-опытного лесничества Ленинградской области // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства, 2020. № 2. С. 46–48.Aleshko R.A., Alekseeva A.A., Shoshina K.V., Bogdanov A.P., Gur’ev A.T. Razrabotka metodiki aktualizatsii informatsii o lesnom uchastke s ispol’zovaniem snimkov so sputnikov i malykh BPLA [Development of a methodology for updating information about a forest area using satellite images and small UAVs]. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Modern problems of remote sensing of the Earth from space], 2017, t. 14(5), pp. 87–99.Алешко Р.А., Алексеева А.А., Шошина К.В., Богданов А.П., Гурьев А.Т. Разработка методики актуализации информации о лесном участке с использованием снимков со спутников и малых БПЛА // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2017. Т. 14(5). С. 87–99.Lisein J., Pierrot-Deseilligny M., Bonnet S., Lejeune P. A photogrammetric workflow for the creation of a forest canopy height model from small Unmanned Aerial System imagery. Forests, 2013, v. 4, pp. 922–944. DOI: 10.3390/f4040922Lisein J., Pierrot-Deseilligny M., Bonnet S., Lejeune P. A photogrammetric workflow for the creation of a forest canopy height model from small Unmanned Aerial System imagery // Forests, 2013, v. 4, pp. 922–944. DOI: 10.3390/f4040922Jackson M., Portillo-Quintero C., Cox R., Ritchie G., Johnson M., Humagain K., Subedi M. Season, classifier, and spatial resolution impact honey mesquite and yellow bluestem detection using an Unmanned Aerial System. Rangeland Ecology and Management, 2020, v. 73(5), pp. 658–672. DOI: 10.1016/j.rama.2020.06.010Jackson M., Portillo-Quintero C., Cox R., Ritchie G., Johnson M., Humagain K., Subedi M. Season, classifier, and spatial resolution impact honey mesquite and yellow bluestem detection using an Unmanned Aerial System // Rangeland Ecology and Management, 2020, v. 73(5), pp. 658–672. DOI: 10.1016/j.rama.2020.06.010Nuijten R.J.G., Coops N.C., Goodbod T.R.H., Pelletier G. Examining the Multi-Seasonal Consistency of Individual Tree Segmentation on Deciduous Stands Using Digital Aerial Photogrammetry (DAP) and Unmanned Aerial Systems (UAS). Remote Sensing, 2019, v. 11(7), art. 739. DOI: 10.3390/rs11070739Nuijten R.J.G., Coops N.C., Goodbod T.R.H., Pelletier G. Examining the Multi-Seasonal Consistency of Individual Tree Segmentation on Deciduous Stands Using Digital Aerial Photogrammetry (DAP) and Unmanned Aerial Systems (UAS) // Remote Sensing, 2019, v. 11(7), art. 739. DOI: 10.3390/rs11070739Watts A.C., Ambrosia V.G., Hinkley E.A. Unmanned aircraft systems in remote sensing and scientific research: classification and considerations of use. Remote Sensing, 2012, v. 4, pp. 1671–1692. DOI: 10.3390/rs4061671Watts A.C., Ambrosia V.G., Hinkley E.A. Unmanned aircraft systems in remote sensing and scientific research: classification and considerations of use // Remote Sensing, 2012, v. 4, pp. 1671–1692. DOI: 10.3390/rs4061671Zahawi R.A., Dandois J.P., Holl K.D., Nadwodny D., Reid J.L., Ellis E.C. Using lightweight unmanned aerial vehicles to monitor tropical forest recovery. Biological Conservation, 2015, v. 186, pp. 287–295.Zahawi R.A., Dandois J.P., Holl K.D., Nadwodny D., Reid J.L., Ellis E.C. Using lightweight unmanned aerial vehicles to monitor tropical forest recovery // Biological Conservation, 2015, v. 186, pp. 287–295.Medvedev A.A., Tel’nova N.O., Kudikov A.V. Kartografirovanie protsessa zarastaniya zalezhnykh zemel’ po raznovremennym vysokodetal’nym dannym s kosmicheskikh i bespilotnykh letatel’nykh apparatov [Mapping the process of overgrowing of fallow lands using multi-time, highly detailed data from space and unmanned aerial vehicles]. Zemlya iz kosmosa: naibolee effektivnye resheniya [Earth from Space: the most effective solutions], 2019, no. 10 (26), pp. 50–55.Медведев А.А., Тельнова Н.О., Кудиков А.В. Картографирование процесса зарастания залежных земель по разновременным высокодетальным данным с космических и беспилотных летательных аппаратов // Земля из космоса: наиболее эффективные решения, 2019. № 10 (26). С. 50–55.Belyaeva N.V., Gryaz’kin A.V., Kalinskiy P.M. Tochnost’ uchetnykh rabot pri otsenke estestvennogo lesovozobnovleniya [Accuracy of accounting work in assessing natural reforestation]. Vestnik Saratovskogo gos. agr. un-ta im. N.I. Vavilova [Bulletin of the Saratov State Agr. University named after N.I. Vavilova], 2012, no. 8, pp. 7–12.Беляева Н.В., Грязькин А.В., Калинский П.М. Точность учетных работ при оценке естественного лесовозобновления // Вестник Саратовского госагроуниверситета имени Н.И. Вавилова, 2012. № 8. С. 7–12.Kabonen A.V., Ivanova N.V. Otsenka biometricheskikh kharakteristik derev’ev po dannym nazemnogo LiDAR i raznosezonnoy aerofotos’emki v iskusstvennykh nasazhdeniyakh [Assessing the biometric characteristics of trees based on ground-based LiDAR data and multi-seasonal aerial photography in artificial plantings]. Nature Conservation Research. Zapovednaya nauka [Nature Conservation Research. Reserve Science], 2023, t. 8(1), pp. 64–83.Кабонен А.В., Иванова Н.В. Оценка биометрических характеристик деревьев по данным наземного LiDAR и разносезонной аэрофотосъемки в искусственных насаждениях // Nature Conservation Research. Заповедная наука, 2023. Т. 8(1). С. 64–83.Goutte C., Gaussier E. A probabilistic interpretation of precision, recall and F-score, with implication for evaluation. Proceedings of the European Conference on Information Retrieval. Berlin. Heidelberg: Springer, 2005, pp. 345–359.Goutte C., Gaussier E. A probabilistic interpretation of precision, recall and F-score, with implication for evaluation // Proceedings of the European Conference on Information Retrieval. Berlin. Heidelberg: Springer, 2005, pp. 345–359.Sokolova M., Japkowicz N., Szpakowicz S. Beyond accuracy, F-score and ROC: A family of discriminant measures for performance evaluation. Proceedings of the Australasian Joint Conference on Artificial Intelligence. Berlin. Heidelberg: Springer2008, pp. 1015–1021.Sokolova M., Japkowicz N., Szpakowicz S. Beyond accuracy, F-score and ROC: A family of discriminant measures for performance evaluation // Proceedings of the Australasian Joint Conference on Artificial Intelligence. Berlin. Heidelberg: Springer, 2008, pp. 1015–1021.Li W., Guo Q., Jakubowski M.K., Kelly M. A new method for segmenting individual trees from the LiDAR point cloud. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2012, v. 78(1), pp. 75–84.Li W., Guo Q., Jakubowski M.K., Kelly M. A new method for segmenting individual trees from the LiDAR point cloud // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2012, v. 78(1), pp. 75–84.Safonova A., Hamad Y., Dmitriev E., Georgiev G., Trenkin V., Georgieva M., Dimitrov S., Iliev M. Individual tree crown delineation for the species classification and assessment of vital status of forest stands from UAV images. Drones, 2021, v. 5(3), art. 77.Safonova A., Hamad Y., Dmitriev E., Georgiev G., Trenkin V., Georgieva M., Dimitrov S., Iliev M. Individual tree crown delineation for the species classification and assessment of vital status of forest stands from UAV images // Drones, 2021, v. 5(3), art. 77.Zhang J., Hud J., Liane J., Fan Z., Ouyang X., Ye W. Seeing the forest from drones: testing the potential of lightweight drones as a tool for long-term forest monitoring. Biological Conservation, 2016, v. 198, pp. 60–69.Zhang J., Hud J., Liane J., Fan Z., Ouyang X., Ye W. Seeing the forest from drones: testing the potential of lightweight drones as a tool for long-term forest monitoring // Biological Conservation, 2016, v. 198, pp. 60–69.Roussel J.R., Auty D., De Boissieu F., Meador A.S., JeanFrançois B. Airborne LiDAR data manipulation and visualization for forestry applications. package «lidR». Version 2.2.2. 2020. Available at: https://www.scinapse.io/papers/3122270431 (accessed 12.06.2023).Roussel J.R., Auty D., De Boissieu F., Meador A.S., JeanFrançois B. Airborne LiDAR data manipulation and visualization for forestry applications. package «lidR». Version 2.2.2. 2020. URL: https://www.scinapse.io/papers/3122270431 (дата обращения 12.06.2023).Picos J, Bastos G, Míguez D, Alonso L, Armesto J. Individual Tree Detection in a Eucalyptus Plantation Using Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-LiDAR. Remote Sensing, 2020, v. 12 (5). DOI: 10.3390/rs12050885Picos J, Bastos G, Míguez D, Alonso L, Armesto J. Individual Tree Detection in a Eucalyptus Plantation Using Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-LiDAR // Remote Sensing, 2020, v. 12 (5). DOI: 10.3390/rs12050885.Bennett G., Hardy A., Bunting P., Morgan P., Fricker A. A Transferable and Effective Method for Monitoring Continuous Cover Forestry at the Individual Tree Level Using UAVs. Remote Sensing, 2020, v. 12(13), art. 2115. DOI: 10.3390/rs12132115Bennett G., Hardy A., Bunting P., Morgan P., Fricker A. A Transferable and Effective Method for Monitoring Continuous Cover Forestry at the Individual Tree Level Using UAVs // Remote Sensing, 2020, v. 12(13). DOI: 10.3390/rs12132115.Zhou, J., Proisy, C.; Descombes, X.; Le Maire, G.; Nouvellon, Y.; Stape, J.-L.; Viennois, G.; Zerubia, J.; Couteron, P. Mapping local density of young Eucalyptus plantations by individual tree detection in high spatial resolution satellite images // For. Ecol. Manag, 2013, v. 301, p. 129–141.Mohan, M., Silva, A.C.; Klauberg, C.; Jat, P.; Catts, G., Cardil, A., Hudak, T.A.; Dia, M. Individual tree detection from Unmanned Aerial Vehicle (UAV) derived Canopy Height Model in an open canopy mixed conifer forest // Forests, 2017, v. 8, p. 340.Wallace, L., Lucieer, A.; Malenovský, Z., Turner, D.; Vopěnka, P. Assessment of Forest Structure Using Two UAV Techniques: A Comparison of Airborne Laser Scanning and Structure from Motion (SfM) Point Clouds // Forests 2016, v. 7, p. 62.Cosenza, D.N., Soares, V.P., Leite, H.G., Gleriani, J.M. Airborne laser scanning applied to eucalyptus stand inventory at individual tree level // Pesqui. Agropecu. Bras, 2018, v. 53, p. 1373–1382.Shinzato, E.T., Shimabukuro, Y.E., Coops, N.C., Tompalski, P., Gasparoto, E.A. Integrating area-based and individual tree detection approaches for estimating tree volume in plantation inventory using aerial image and airborne laser scanning data // iFor. Biogeosci. For., 2017, v. 10, p. 296–302.