Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО НАЗНАЧЕНИЮ ДЕРЕВЬЕВ В РУБКУ ПРИ ИХ ОБРАБОТКЕ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНОЙ

Изобретение относится к области лесного хозяйства, а именно к лесной промышленности, и может быть использовано при проведении выборочных рубок леса машинами.

В настоящее время известны способы проведения выборочных рубок леса, включающих в себя 3 основных технологических этапа: наземную таксацию насаждений (ручное измерение основных параметров древостоя, отбор деревьев, подлежащих рубке, маркировку деревьев), формирование волоков, технологических коридоров и погрузочных пунктов.

Известен способ выборочной рубки [1], осуществляемый путем определения запаса древостоя, основанный на том, что перед разметкой пробных площадей из основного элемента леса выбирают в древостое учетное дерево, близкое к его среднему значению в систематических намеченных точках выдела, и вокруг него ближайшие граничные деревья в количестве 4-8 из деревьев первого яруса. Затем измеряют расстояния между учетным и граничными деревьями и между соседними граничными деревьями. После этого размечают пробную площадку в виде многоугольника, вершины которого расположены в центрах стволов граничных деревьев. По данным измерений вычисляют площадку многоугольника, площадь поперечных сечений стволов деревьев и площадь частей стволов граничных деревьев, вошедших в многоугольник, и по результатам вычислений определяют запас древостоя на площади как отношение суммы площадей поперечных сечений стволов деревьев, вошедших в пробную площадку, к площади данной площадки.

Известен способ выборочной рубки на примере способа рубок ухода в средневозрастных насаждениях [2], включающий разбивку насаждений на участки, формирование технологических коридоров и выборочную рубку деревьев на полосах по обе стороны от технологических коридоров. Технологические коридоры формируют на расстоянии, равном шести высотам древостоя, а после окончания рубок ухода на расстоянии высоты древостоя от основных технологических коридоров формируют дополнительные технологические коридоры и осуществляют рубки ухода по всем коридорам.

Недостатком этих способов является их высокая трудоемкость, обусловленная наличием этапа наземной таксации, включающего в себя измерение диаметра и высоты ствола каждого растущего дерева и расстояний между деревьями, что влечет значительные временные затраты на проведение выборочной рубки леса и повышает стоимость древесины, заготовленной методом выборочной рубки.

Наиболее близким по технической сущности к предъявляемому способу является способ выборочной рубки в насаждениях естественного происхождения [3], включающий разбивку насаждений на участки, формирование технологических коридоров и выборочную рубку деревьев на полосах по обе стороны от технологических коридоров, отличающийся тем, что внутри насаждений до их разбивки на участки размечают биогруппы деревьев в виде многоугольников мест произрастания ценных деревьев с микросистемами, затем внутри биогрупп измеряют расстояния между деревьями и таксационные показатели у всех деревьев, после этого размечают места произрастания соседних деревьев и защитную полосу вокруг них, затем проводят расчет площадей мест произрастания ценных деревьев и деревьев с микросистемами, далее составляют абрис расположения биогрупп деревьев в насаждении, а разбивку насаждения на участки и формирование технологических коридоров намечают в обход размеченных биогрупп.

Недостатком данного способа является его ориентированность на применение в лесах естественного происхождения, а также наличие этапа наземной таксации, что влечет дополнительные затраты времени на обход насаждений таксатором с последовательным измерением параметров каждого дерева в делянке и разбиения делянки на участки. Кроме того, следует отметить тот факт, что маркеры, оставленные таксатором на деревьях, чрезвычайно трудны для восприятия оператором лесозаготовительной машины в процессе выполнения рубки, что обуславливает необходимость наличия знаний в области лесоводства у оператора лесозаготовительной машины для проведения повторного процесса отбора деревьев и сопутствующие этому дополнительные затраты времени уже в процессе валки деревьев.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении производительности за счет автоматизации как процесса отбора деревьев в рубку, так и выполнения выборочной рубки лесозаготовительной машиной. Кроме того, технический результат достигается возможностью выполнять выборочную рубку машиной при ее управлении машинистом, не имеющим знаний в области лесоводства, что позволит снизить затраты на его обучение.

Указанный технический результат достигается тем, что при автоматизированном определении деревьев, предназначаемых в рубку лесозаготовительной машиной, включающем разбивку насаждений на участки, формирование технологических коридоров, согласно изобретению производят разбивку насаждений на участки, геометрически равные рабочей зоне лесозаготовительной машины для выборочной рубки деревьев на полосах по обе стороны от технологических коридоров, при этом определения деревьев, предназначенных в рубку, осуществляют автоматизировано в режиме реального времени путем получения стереоизображения участка со стереопары камер, установленных на лесозаготовительной машине, причем сначала определяют количество деревьев в рабочей зоне лесозаготовительной машины посредством анализа стереоскопического изображения пространства перед лесозаготовительной машиной методом стереоскопического параллакса, затем производят расчет таксационных показателей - диаметр, коэффициент формы и высоты ствола каждого дерева в рабочей зоне лесозаготовительной машины, далее посредством решателя на основе нечеткой логики на основании полученных данных выявляют в рабочей зоне лесозаготовительной машины деревья для вероятного назначения в рубку, а дерево, имеющее максимальную вероятность назначения его в рубку, отображают на мониторе оператора лесозаготовительной машины.

На фиг. 1 представлено стереоизображение рабочей зоны лесозаготовительной машины.

На фиг. 2 представлен пример одного из участков изображения рабочей зоны лесозаготовительной машины.

На фиг. 3 представлена имитационная модель распознавания стереоизображения и принятия решения о назначении дерева в рубку.

На фиг. 4 представлен пример стереоизображения участка разбиения.

На фиг. 5 представлен пример изображения выбранного для рубки дерева.

Предлагаемый способ автоматизированного определения деревьев, предназначаемых в рубку лесозаготовительной машиной, осуществляется следующим образом.

На первом этапе получают стереоизображение рабочей области 1 лесного массива со стереопары камер 3, установленных на лесозаготовительной машине, и вычисляют методом стереоскопического параллакса [4] матрицу глубины пространства перед лесозаготовительной машиной.

На втором этапе производят анализ матрицы глубины пространства и определяют количество деревьев в рабочей зоне, находя прямоугольные области матрицы с равными элементами.

На третьем этапе производят расчет таксационных показателей каждого дерева в рабочей зоне лесозаготовительной машины, таких как диаметр ствола, коэффициент формы ствола, наличие повреждений по формулам:

где d_1,3 - диаметр дерева на высоте 1,3 метра, n - количество пикселей, занимаемых исследуемым деревом на стереоизображении, α_с - угол обзора видеокамеры в горизонтальной плоскости, l₀ - расстояние до исследуемого дерева.

где f - коэффициент формы ствола, d₀ - диаметр дерева у шейки корня, d_1,3 - диаметр дерева на высоте 1,3 метра.

Причем в качестве условного показателя наличия повреждений принимают наличие локальных изменений цвета древесного ствола, что свидетельствует о разрушении коры дерева.

На четвертом этапе автоматизировано посредством решателя на основе нечеткой логики, нечетких правил назначения рубки и данных, полученных на предыдущих этапах, принимают вероятностное решение о назначении в рубку каждого обнаруженного дерева в рабочей зоне лесозаготовительной машины и подсвечивают на мониторе оператора дерево с максимальной вероятностью назначения рубки.

Предлагаемый способ автоматизированного определения деревьев, предназначаемых в рубку лесозаготовительной машиной, позволяет расширить функциональные возможности способа и уменьшить его трудоемкость за счет автоматизации как процесса измерения таксационных параметров древостоя, так и вынесения решения о назначении того или иного дерева в рубку. Обработка измерительной информации и вынесение решения в режиме реального времени позволяет использовать заявленный способ в составе бортовых систем лесозаготовительной машины, что позволит значительно улучшить производительность технологического процесса освоения лесосек и отказаться от предварительной наземной перечислительной таксации насаждений перед проведением выборочной рубки леса, снизить финансовые и временные издержки, связанные с обучением операторов лесозаготовительных машин.

Пример 1

Осуществлялась выборочная рубка ухода в насаждениях естественного происхождения в Куярском лесхозе республики Марий Эл сортиментным методом лесозаготовок. В качестве лесозаготовительной машины был выбран харвестер «SILVATEC 8266 THSLEIPNER» с манипулятором «LOGLIFT 220V». Максимальный вылет стрелы манипулятора составляет 10 метров, чем обусловлен выбор размера участков динамического разбиения в 10 метров. В качестве камер, составляющих стереопару, были использованы веб-камеры SVENProxima, закрепленные на планке с разнесением в горизонтальной плоскости в 0,15 м.

Изображение рабочей области харвестера, полученное посредством одной из камер стереопары, представлено на фиг. 2, а стереоизображение этого же участка представлено на фиг. 3. В результате обработки стереоскопического изображения получены следующие данные:

- в рабочей области харвестера обнаружено 3 дерева;

- расстояния до деревьев (нумерация слева направо по фиг. 2): 1 дерево - 1,85 метра; 2 дерево - 2,38 метра; 3 дерево - 2,15 метра от стрелы лесозаготовительной машины;

- коэффициенты формы стволов: 1 дерево - 1,0 метра; 2 дерево - 1,0 метра; 3 дерево - 0,98;

- диаметры стволов: 1 дерево - 0,202 метра; 2 дерево - 0,229 м.; 3 дерево - 0,163 м;

- наличие повреждений: 1 дерево - да; 2 дерево - да; 3 дерево - нет.

Решатель на основании нечетких правил определяет вероятность назначения рубки для деревьев следующим образом: 1 дерево - 0,8; 2 дерево - 0,55; 3 дерево - 0,2. Дерево 1 с максимальной вероятностью выбора в рубку подсвечивается на экране оператора (фиг. 4), что совпадает с мнением эксперта-таксатора.

Таким образом, заявляемый способ обладает новыми свойствами, обусловливающими получение положительного эффекта.

Литература

1. Патент CCCP №1436938 A01G 23/00. Способ определения запаса древостоя. Хватов А.Г. (РФ) Заявка: 4076854, 11.05.1986 Опубл. 15.11.1988.

2. Патент CCCP №812232 A01G 23/00. Способ рубок ухода в средневозрастных насаждениях // Чибисов Г.А. (РФ) Заявка: 2680309, 31.10.1978. Опубл. 15.03.1981.

3. Патент РФ №2201073 A01G 23/00, A01G 23/02. Способ выборочной рубки в насаждениях естественного происхождения // Русинова Н.В. (РФ) Заявка: 2001119887/13, 17.07.2001. Опубл. 27.03.2003.

4. Котюжанский Л.А. Вычисление карты глубины стереоизображения на графическом процессоре в реальном времени // Фундаментальные исследования. - 2012. - №6 (часть 2). - с. 444-449.