Современные методы таксации леса: от мерной вилки к лазерному облаку точек

Лесная таксация -- фундамент любого хозяйственного решения в лесопромышленном комплексе. От точности определения запаса, породного состава и возрастной структуры древостоя напрямую зависят объёмы заготовки, планирование логистики, расчёт арендной платы и, в конечном счёте, экономическая эффективность лесопользования. На протяжении двух столетий основным инструментом таксатора оставались мерная вилка, высотомер и глазомерная оценка. Однако за последние два десятилетия в отрасль пришли технологии, которые радикально меняют методологию лесоинвентаризации: воздушное и наземное лазерное сканирование, беспилотные летательные аппараты, мультиспектральная космическая съёмка и методы машинного обучения для обработки данных дистанционного зондирования Земли.

В настоящей статье проведён сравнительный анализ традиционных и современных методов таксации, рассмотрены их точность, ограничения и экономическая целесообразность в контексте российского лесного законодательства. Материал адресован лесопромышленникам и лесоустроителям, принимающим решения о выборе технологий инвентаризации.

Традиционная наземная таксация

Методология и практика

Классическая таксация леса основывается на системе пробных площадей и перечётных ходов. Таксатор закладывает временные или постоянные пробные площади размером от 0,25 до 1,0 га, на которых производится сплошной перечёт деревьев с измерением диаметра на высоте груди (1,3 м), высоты, определением породного состава и класса возраста. По результатам перечёта рассчитываются средние таксационные показатели: средний диаметр, средняя высота, полнота, класс бонитета и запас на гектар. Полученные данные экстраполируются на весь таксационный выдел.

Глазомерно-измерительный метод, остающийся основным в практике российского лесоустройства, предполагает, что таксатор проходит по выделу и определяет таксационные показатели комбинацией визуальной оценки и выборочных инструментальных измерений. Допустимые ошибки определения запаса при этом методе составляют плюс-минус 15--20% для эксплуатационных лесов согласно Лесоустроительной инструкции 2022 года.

Системные ограничения наземного метода

Наземная таксация обладает рядом фундаментальных ограничений, которые становятся всё более ощутимыми по мере роста требований к точности и оперативности лесоуправления.

Первое и наиболее критичное ограничение -- низкая производительность. Бригада из двух-трёх таксаторов обрабатывает от 50 до 150 гектаров в день в зависимости от рельефа и проходимости, при этом реальными инструментальными измерениями покрывается менее 1--3% площади лесного массива (White et al., 2016). Для арендатора с площадью лесосечного фонда в несколько сотен тысяч гектаров полный цикл наземной инвентаризации растягивается на годы.

Субъективность результатов -- второе принципиальное ограничение. Глазомерная оценка запаса зависит от квалификации и опыта конкретного таксатора. Систематические ошибки могут достигать 25--30% при работе в сложных многоярусных насаждениях. Это порождает споры между арендаторами и органами управления лесами, которые сложно разрешить из-за невоспроизводимости результатов.

Сезонность полевых работ (преимущественно май--октябрь) создаёт жёсткие временные рамки. Значительная часть эксплуатационных лесов России расположена в районах с неразвитой дорожной сетью, что делает наземную таксацию логистически затруднённой или экономически нецелесообразной.

Несмотря на перечисленные ограничения, наземные пробные площади остаются незаменимым элементом калибровки любого дистанционного метода. Ни одна технология дистанционного зондирования пока не способна полностью заменить наземные измерения -- она может лишь кратно сократить их объём.

Аэрофотосъёмка и космическая съёмка

Фотограмметрия: от стереопар к облакам точек

Аэрофотосъёмка применяется в лесоустройстве с середины XX века. Стереоскопическое дешифрирование аэроснимков позволяет определять границы выделов, тип леса, сомкнутость полога и, с определёнными ограничениями, высоту древостоя. Современная цифровая аэрофотограмметрия, особенно с применением беспилотных летательных аппаратов, существенно расширила возможности метода. Технология Structure from Motion позволяет строить плотные облака точек поверхности полога, сопоставимые по информативности с данными лазерного сканирования для верхнего яруса.

Основное ограничение фотограмметрии -- невозможность получения информации о подпологовой структуре и рельефе под кронами деревьев. Фотограмметрическое облако точек отражает только верхнюю поверхность полога, в отличие от лазерного импульса, который проникает сквозь кроны до земли. Это фундаментальное физическое ограничение определяет границы применимости метода.

Спутниковые данные: стратегический масштаб

Спутниковые данные среднего разрешения (Landsat, Sentinel-2) широко используются для мониторинга лесного покрова на региональном и национальном масштабах: выявления рубок, пожаров, динамики лесовосстановления. Для целей таксации применяются снимки высокого и сверхвысокого разрешения -- WorldView, Pleiades, российский «Ресурс-П» с разрешением 0,7 м в панхроматическом канале.

Космоснимки позволяют определять границы таксационных выделов и категории земель, оценивать породный состав по спектральным характеристикам, определять сомкнутость полога и, косвенно, полноту, а также выявлять повреждения леса -- ветровалы, усыхание, очаги вредителей. Однако точность определения запаса по космическим снимкам остаётся невысокой: ошибка составляет 25--40% для отдельных выделов (Fassnacht et al., 2024). Космоснимки наиболее эффективны как вспомогательный инструмент для стратификации территории и планирования наземных работ, а не как самостоятельный метод определения таксационных показателей.

Радарные данные (Sentinel-1, ALOS PALSAR) дополняют оптическую съёмку, обеспечивая всепогодность наблюдений и чувствительность к объёму биомассы, однако их пространственное разрешение пока недостаточно для поделянной таксации.

LiDAR-таксация: технология, изменившая правила игры

Принцип и платформы

LiDAR (Light Detection And Ranging) -- технология активного дистанционного зондирования, при которой лазерный сканер испускает импульсы и регистрирует отражённые сигналы, формируя трёхмерное облако точек. В лесном хозяйстве применяются три основные платформы, различающиеся масштабом и детализацией.

Воздушное лазерное сканирование (ALS) -- сканер устанавливается на самолёт или вертолёт. Плотность точек составляет от 1 до 20 и более точек на квадратный метр. Это основной метод для площадной таксации крупных массивов. БПЛА-LiDAR обеспечивает плотность точек до 100--300 точек на квадратный метр, но ограничен по площади покрытия за один вылет -- от 100 до 500 гектаров. Наземное лазерное сканирование (TLS) -- стационарный или мобильный сканер на уровне земли -- даёт сверхвысокую детализацию отдельных деревьев, но непригодно для площадной инвентаризации (Maltamo et al., 2014).

Подход на основе площадей: скандинавский стандарт

Операционная лесная инвентаризация на основе воздушного лазерного сканирования реализуется преимущественно через подход на основе площадей (Area-Based Approach), разработанный в пионерских работах Нэссета в Скандинавии (Naesset, 2007). Суть метода состоит в четырёх последовательных этапах.

На первом этапе на территории закладывается сеть калибровочных наземных пробных площадей. На втором этапе из облака точек извлекаются статистические метрики -- высотные перцентили, плотностные показатели, статистики распределения точек по высоте. Далее строятся регрессионные или нейросетевые модели, связывающие метрики лазерного сканирования с таксационными показателями, измеренными на пробных площадях. Наконец, модели применяются к сплошному покрытию, формируя растровые карты таксационных показателей с пространственным разрешением, соответствующим размеру пробных площадей -- обычно 15--25 метров.

Этот подход стал фактическим стандартом операционной LiDAR-инвентаризации в Скандинавии и Канаде. В Норвегии, Финляндии и Швеции воздушное лазерное сканирование имеет статус операционного метода национальной лесной инвентаризации с 2000-х годов (Kangas et al., 2018). В Канаде внедрена система Enhanced Forest Inventory, в которой данные лазерного сканирования являются обязательным компонентом.

Точность: цифры, которые убеждают

Многочисленные исследования демонстрируют, что ALS-таксация обеспечивает точность, сопоставимую или превышающую точность традиционных наземных методов.

По запасу древесины отклонение от данных сплошного перечёта в среднем составляет 6--12% (среднеквадратическая ошибка), что укладывается в нормативы Лесоустроительной инструкции (Sparks et al., 2024). Средняя высота определяется с ошибкой 0,5--1,5 метра (5--8%). Средний диаметр -- с ошибкой 1,5--3,0 сантиметра (8--15%), поскольку диаметр определяется косвенно через аллометрические зависимости. Число деревьев на гектар определяется с ошибкой 15--25%, что является наиболее слабым показателем. Биомасса оценивается с точностью 80--95% при калибровке с наземными данными.

Работы российских учёных подтверждают применимость этих результатов к отечественным условиям. Исследования Ковязина и соавторов (2020) показали, что результаты воздушного лазерного сканирования могут использоваться при мониторинге лесов наравне с данными глазомерно-измерительной таксации, поскольку полученные показатели не выходят за пределы допустимых ошибок Лесоустроительной инструкции. Аналогичные выводы содержатся в работах Соснина и др. (2018), сравнивших результаты лазерной таксации с данными сплошного перечёта на территории Воронежской области.

Ограничения лазерного сканирования

При всех преимуществах LiDAR-таксация не лишена ограничений, которые необходимо учитывать при планировании проектов.

Определение породного состава остаётся главным вызовом. Лазерное сканирование само по себе не позволяет надёжно определять породу дерева -- для этого необходима интеграция с мультиспектральными данными или наземными наблюдениями. Подлесок и подрост слабо отражаются в данных воздушного сканирования из-за затухания сигнала в кронах верхнего яруса.

Зависимость от наземной калибровки -- принципиальное ограничение. Без качественных пробных площадей модели теряют достоверность. Рекомендуется не менее 50--100 пробных площадей на территорию съёмки, что требует значительных полевых работ, хотя и существенно меньших, чем при полностью наземной таксации.

Стоимость оборудования начинается от 200 тысяч долларов для авиационных платформ, хотя системы на базе БПЛА существенно дешевле -- от 30--50 тысяч долларов. Облако точек отражает состояние леса на момент съёмки; для мониторинга динамики требуются повторные залёты.

Нормативная база Российской Федерации

Лесоустроительная инструкция 2022 года

Основным нормативным документом, регулирующим проведение лесоустройства и таксации в России, является Лесоустроительная инструкция, утверждённая Приказом Минприроды России от 05.08.2022 N 510 и вступившая в силу 1 марта 2023 года (действует до 1 марта 2029 года). Инструкция прямо предусматривает три способа таксации лесов в зоне интенсивного освоения: наземный способ (классическая глазомерно-измерительная таксация), дистанционный способ (с использованием материалов аэросъёмки и космической съёмки) и способ рационального сочетания наземных и дистанционных методов. Принципиально новым положением инструкции 2022 года стало закрепление возможности таксации с помощью искусственных нейронных сетей и других автоматизированных способов обработки данных — это первое упоминание машинного обучения в нормативном документе такого уровня.

Параллельно с обновлением инструкции происходит цифровая трансформация отрасли. Федеральный закон от 08.07.2024 N 165-ФЗ дополнил Лесной кодекс главой 10.1 «Государственный лесной реестр», и с 1 января 2025 года Федеральная государственная информационная система лесного комплекса (ФГИС ЛК) стала обязательной для всех субъектов РФ. Данные дистанционного зондирования Земли из государственных информационных систем подлежат обязательному включению в электронный ГЛР. Результаты первого цикла государственной инвентаризации лесов (ГИЛ, 2007--2020), проведённой Рослесинфоргом на 69 100 пробных площадях, показали, что общий запас древесины составляет 113 млрд куб. м — на 37,1% выше данных Государственного лесного реестра. Это расхождение является одним из главных аргументов в пользу более широкого применения современных ДЗЗ-методов.

Практика внедрения: БПЛА и LiDAR в регионах

Параллельно с нормативными изменениями идёт масштабирование парка беспилотных воздушных судов для лесного хозяйства. По национальному проекту «Беспилотные авиационные системы» в 2024 году на закупку свыше 1 200 дронов выделено около 2 млрд рублей. К началу 2026 года региональные лесные ведомства располагают более чем 2 000 БПЛА с планом довести парк до 5 000 единиц к 2030 году.

Показательным примером промышленного внедрения LiDAR-таксации стал проект «ЛесПрофи» Пермской целлюлозно-бумажной компании (ПЦБК). Система обследования лесных участков с помощью БПЛА, оснащённых сканером LiDAR и мультиспектральной камерой, позволяет обрабатывать до 1 500 гектаров в день. При обследовании более 400 000 га арендованных территорий в Пермском крае фактический запас древесины оказался на 10--21% больше данных традиционной таксации, а в отдельных случаях расхождение достигало 40%. Эти результаты согласуются с данными первого цикла ГИЛ и подтверждают, что лидарная съёмка выявляет систематическое занижение запасов в материалах государственного лесного реестра.

Правовая неопределённость LiDAR-данных

На практике LiDAR-таксация пока не получила в России статуса штатного метода лесоустройства наравне с глазомерно-измерительной таксацией. Лесоустроительная инструкция допускает использование данных дистанционного зондирования, однако конкретных нормативов и требований к лидарной съёмке -- плотности точек, допустимой высоте полёта, требований к калибровочным пробным площадям -- документ не устанавливает. На уровне Рослесхоза ведутся работы по интеграции данных дистанционного зондирования, включая лазерное сканирование, в систему государственной инвентаризации лесов, однако нормативная база отстаёт от технологических возможностей.

Для арендаторов лесных участков это создаёт правовую неопределённость: результаты LiDAR-таксации могут приниматься как дополнительный аргумент при обосновании объёмов заготовки, но не заменяют данные официального лесоустройства. Зарубежный опыт Скандинавии и Канады, где лазерное сканирование стало операционным стандартом, подтверждает зрелость технологии и может служить ориентиром для российского нормотворчества. Канадская программа Enhanced Forest Inventory (EFI) охватывает все провинции: Квебек покрыл 512 тыс. км2 данными ALS за 2016--2023 годы, Онтарио собрал более 400 тыс. км2 и внедряет single photon LiDAR для планов лесоуправления на 2028--2037 годы (White et al., 2025). Канадский area-based approach, при котором метрики облака точек экстраполируются на всю территорию по калибровочным пробным площадям, является прямым аналогом подхода, применимого к бореальным лесам РФ.

Экономика методов: реальные цифры

Стоимость наземного лесоустройства

По данным ФГБУ «Рослесинфорг», выполняющего более 90% государственных контрактов на лесоустройство в России, стоимость комплексного лесоустройства составляет от 100 до 200 рублей за гектар (на 2024--2025 годы), что ниже среднерыночной цены примерно на треть. Коммерческие организации предлагают таксацию по ценам от 150 до 400 рублей за гектар в зависимости от сложности территории, удалённости и детальности работ.

Стоимость детальной инвентаризации с закладкой пробных площадей и сплошным перечётом значительно выше -- от 500 до 2000 рублей за гектар. Такие затраты экономически оправданы только для высокопродуктивных эксплуатационных лесов перед отводом лесосек.

Стоимость LiDAR-таксации

Экономика лидарной инвентаризации существенно зависит от масштаба проекта, и именно здесь проявляется ключевое преимущество технологии.

Авиационная съёмка обходится в 300--1500 рублей за гектар при площади объекта от 10 000 гектаров. С учётом обработки данных и построения таксационных моделей полная стоимость проекта составляет от 500 до 2500 рублей за гектар. Однако при увеличении площади до 50 000--100 000 гектаров удельная стоимость снижается до 200--600 рублей за гектар за счёт фиксированных затрат на мобилизацию. БПЛА-LiDAR обходится в 500--3000 рублей за гектар при площадях до 5000 гектаров и экономически оправдан для небольших объектов или участков со сложным рельефом.

Международный опыт демонстрирует значительный потенциал оптимизации: лидарная инвентаризация сокращает потребность в полевых работах на 30--50% и существенно ускоряет процесс. В одном из проектов в Канаде срок полевого этапа был сокращён с пяти недель до шести дней.

Стоимость космической съёмки

Космические снимки высокого разрешения обходятся значительно дешевле -- от 15 до 60 рублей за квадратный километр для архивных данных и от 100 до 400 рублей за квадратный километр для съёмки на заказ. Данные среднего разрешения (Sentinel-2) доступны бесплатно через программу Copernicus Европейского космического агентства. Однако низкая точность определения запаса -- ошибка 25--40% -- ограничивает применимость космоснимков для целей поделянной таксации.

Точка безубыточности

При площади проекта свыше 20 000--30 000 гектаров стоимость ALS-инвентаризации за гектар становится сопоставимой с наземным лесоустройством, при этом обеспечивая сплошное покрытие территории вместо выборочного, объективность и воспроизводимость результатов, цифровую модель рельефа и полога как дополнительные продукты, а также возможность повторного анализа данных без выхода в поле.

Для крупных арендаторов с площадью лесосечного фонда более 50 000 гектаров инвестиции в лидарную инвентаризацию окупаются за счёт более точного планирования заготовки и снижения потерь от недооценки или переоценки запаса.

Интеграция методов: оптимальная стратегия

Практика показывает, что наибольшую эффективность даёт не выбор одного «лучшего» метода, а их интеграция в многоуровневую систему мониторинга. Оптимальная стратегия таксации для крупного лесопромышленного предприятия включает четыре уровня.

На стратегическом уровне космическая съёмка (Sentinel-2, Landsat) обеспечивает стратификацию территории, выявление изменений и мониторинг лесопользования. Охват -- весь арендный массив, периодичность -- ежегодно или чаще. Стоимость -- минимальная, данные среднего разрешения доступны бесплатно.

На тактическом уровне воздушное лазерное сканирование обеспечивает детальную инвентаризацию участков, планируемых к освоению в ближайшие 5--10 лет. Технология даёт точные данные о запасе, высоте и структуре для проектирования лесосек с ошибкой определения запаса в пределах 6--12%.

На оперативном уровне БПЛА-фотограмметрия и БПЛА-LiDAR используются для оперативной таксации небольших участков, контроля лесовосстановления и мониторинга санитарного состояния. Сочетание высокой детализации и мобильности делает беспилотники незаменимыми для локальных задач.

На калибровочном уровне наземные пробные площади обеспечивают калибровку и валидацию дистанционных данных. Сеть постоянных пробных площадей поддерживает мониторинг прироста и верификацию моделей на протяжении всего периода аренды.

Такой многоуровневый подход позволяет оптимизировать затраты: дорогостоящие полевые измерения концентрируются на калибровке, а экстенсивное покрытие обеспечивается дистанционными методами.

Перспективы развития

Технологический прогресс продолжает снижать стоимость и повышать точность дистанционных методов. Среди ключевых трендов выделяются четыре направления.

Мультиспектральный LiDAR -- сканеры с несколькими длинами волн -- позволяет определять породный состав непосредственно по данным лазерного сканирования, устраняя главное ограничение одноволновых систем. Первые коммерческие мультиспектральные сканеры уже доступны на рынке и проходят валидацию в операционных условиях.

Мобильное лазерное сканирование -- портативные и ранцевые системы -- обеспечивает быструю наземную инвентаризацию с точностью стационарных сканеров, но производительностью, приближающейся к традиционной таксации. Один оператор с ранцевым сканером способен обследовать несколько гектаров в день с получением индивидуальных параметров каждого дерева.

Глубокое обучение и нейросетевые модели находят применение для автоматической сегментации отдельных деревьев в облаках точек, определения породы по структуре кроны и прогнозирования объёмных показателей. Эти методы позволяют перейти от подхода на основе площадей к поштучной инвентаризации отдельных деревьев на больших территориях.

Фьюжн данных -- совместная обработка лидарных, мультиспектральных, радарных данных и временных рядов спутниковых наблюдений -- повышает точность и пространственное разрешение моделей, компенсируя ограничения каждого отдельного источника (Fassnacht et al., 2024).

Для российского лесного хозяйства критически важным шагом станет актуализация нормативной базы, которая должна определить требования к лидарным данным, порядок их использования при лесоустройстве и критерии приёмки результатов дистанционной таксации.

Заключение

Современная лесная таксация находится на переломном этапе. Традиционные методы, отточенные десятилетиями практики, обеспечивают приемлемую точность на уровне отдельных выделов, но не способны масштабироваться на обширные лесные территории с разумными затратами. Дистанционные методы -- прежде всего воздушное лазерное сканирование -- уже сейчас обеспечивают сопоставимую или более высокую точность при сплошном покрытии территории и объективности результатов.

Для лесопромышленника ключевой вопрос -- не «использовать ли LiDAR», а «когда и в каком масштабе». При площадях свыше 20--30 тысяч гектаров экономическое преимущество лидарной инвентаризации становится очевидным. Интеграция дистанционных и наземных методов в рамках многоуровневой системы мониторинга представляет собой оптимальный путь к точному, экономически эффективному и нормативно обоснованному лесоустройству.

Источники

White, J.C., Coops, N.C., Wulder, M.A., Vastaranta, M., Hilker, T., Tompalski, P. (2016). Remote Sensing Technologies for Enhancing Forest Inventories: A Review. Canadian Journal of Remote Sensing, 42(5), 619--641. DOI: 10.1080/07038992.2016.1207484
Maltamo, M., Naesset, E., Vauhkonen, J. (Eds.) (2014). Forestry Applications of Airborne Laser Scanning: Concepts and Case Studies. Managing Forest Ecosystems, Vol. 27. Springer. DOI: 10.1007/978-94-017-8663-8
Sparks, A.M., et al. (2024). An accuracy assessment of field and airborne laser scanning derived individual tree inventories. Forest Science, XX, 1--14. DOI: 10.1093/forsci/fxae015
Naesset, E. (2007). Airborne laser scanning as a method in operational forest inventory: Status of accuracy assessments accomplished in Scandinavia. Scandinavian Journal of Forest Research, 22(5), 433--442. DOI: 10.1080/02827580701672147
Fassnacht, F.E., et al. (2024). Remote sensing in forestry: current challenges, considerations and directions. Forestry: An International Journal of Forest Research, 97(1), 11--37. DOI: 10.1093/forestry/cpad024
Ковязин, В.Ф., Виноградов, К.П., Киценко, А.А., Васильева, Е.А. (2020). Воздушное лазерное сканирование для уточнения таксационных характеристик древостоев. Известия вузов. Лесной журнал, (4). Ссылка
Kangas, A., Astrup, R., Breidenbach, J., et al. (2018). Remote sensing and forest inventories in Nordic countries -- roadmap for the future. Scandinavian Journal of Forest Research, 33(4), 397--412. DOI: 10.1080/02827581.2017.1416666
Оценка точности инвентаризации лесных земель с применением воздушного лазерного сканирования. (2022). Геодезия и картография, (6), 54--63. DOI: 10.22389/0016-7126-2022-984-6-54-63
Приказ Минприроды России от 05.08.2022 N 510 «Об утверждении Лесоустроительной инструкции». publication.pravo.gov.ru