Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,279

БЕСПИЛОТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ: АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЙ И БАРЬЕРОВ ВНЕДРЕНИЯ

Галкин Д.В. 1 Петухов И.В. 1 Стешина Л.А. 1 Танрывердиев И.О. 1
1 ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Галкин Д.В. - разработка концепции, анализ данных, проведение исследования, визуализация результатов, написание черновика рукописи, написание рукописи – рецензирование и редактирование
Петухов И.В. - разработка концепции, административное руководство исследовательским проектом, предоставление ресурсов, научное руководство
Стешина Л.А. - работа с данными, административное руководство исследовательским проектом, предоставление ресурсов, научное руководство
Танрывердиев И.О. - разработка концепции, административное руководство исследовательским проектом, предоставление ресурсов, научное руководство
В условиях необходимости повышения эффективности лесозаготовительных операций актуально изучение потенциала автономных транспортных систем для работы в сложной лесной среде. Цель настоящего исследования – проанализировать современные технологии автоматизации транспортных процессов в лесном хозяйстве и выявить ключевые барьеры их внедрения в российскую лесную промышленность. Метод аналитического исследования включает систематический обзор отечественных и зарубежных публикаций о сенсорных технологиях, алгоритмах автономной навигации и методах машинного обучения, а также анализ нормативно-правовых и инфраструктурных факторов. В ходе исследования проанализировано применение лидарного сканирования, систем картографирования, интеграции мультисенсорных модулей и алгоритмов искусственного интеллекта для траекторного планирования. Установлено, что основные ограничения определяются низкой надежностью спутникового позиционирования под лесным пологом, нестабильностью грунтовых условий, сезонной непроходимостью и отсутствием регламентированной нормативной базы. На основе выявленных факторов предложена концепция адаптивной лесотранспортной системы, включающая мультимодальные сенсорные архитектуры и гибридные алгоритмы навигации с элементами предиктивного анализа дорожного полотна. Вывод: предложенный подход обеспечивает основу для дальнейшей разработки дорожной карты цифровизации лесного комплекса с учетом технологических, социально‑экономических и нормативных ограничений.
автономная транспортная система
лесозаготовительная техника
LiDAR-сканирование
машинное обучение
компьютерное зрение
1. Блам Ю.Ш., Машкина Л.В. Проблемы и перспективы развития лесного хозяйства и лесозаготовительной промышленности // ЭКО. 2019. № 11 (545). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-i-perspektivy-razvitiya-lesnogo-hozyaystva-i-lesozagotovitelnoy-promyshlennosti (дата обращения: 04.05.2025).
2. Saleh A., Zulkifley M.A., Harun H.H. et al. Forest fire surveillance systems: A review of deep learning methods // Heliyon. 2024. Vol. 10, Is. 1. P. e23127. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844023103355 (дата обращения: 15.06.2025). DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e23127.
3. Ušinskis V., Nowicki M., Dzedzickis A., Bučinskas V. Sensor-Fusion Based Navigation for Autonomous Mobile Robot // Sensors. 2025. Vol. 25, Is. 4. Art. 1248. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/25/4/1248 (дата обращения: 06.07.2025). DOI: 10.3390/s25041248.
4. Holzinger A., Schweier J., Gollob C. et al. From Industry 5.0 to Forestry 5.0: Bridging the gap with Human – Centered Artificial Intelligence // Current Forestry Reports. 2024. Vol. 10, Is. 6. P. 442–455. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40725-024-00231-7 (дата обращения: 06.07.2025). DOI: 10.1007/s40725-024-00231-7.
5. Visser R., Obi O.F. Automation and Robotics in Forest Harvesting Operations: Identifying Near ‑ Term Opportunities // Croatian Journal of Forest Engineering. 2021. Vol. 42, Is. 1. P. 13–24. URL: https://crojfe.com/archive/volume-42-no.1/automation-and-robotics-in-forest-harvesting-operations-identifying-near-term-opportunities (дата обращения: 16.07.2025). DOI: 10.5552/crojfe.2021.739.
6. Abdelsalam A., Happonen A. et al. Toward Autonomous Vehicles and Machinery in Mill Yards of the Forest Industry: Technologies and Proposals for Autonomous Vehicle Operations // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 88234–88250. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9861625 (дата обращения: 01.08.2025). DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3199691.
7. Chirici G., Giannetti F. et al. Robotics in Forest Inventories: SPOT’s First Steps // Forests. 2023. Vol. 14, Is. 11. P. 2170. URL: https://www.mdpi.com/1999-4907/14/11/2170 (дата обращения: 06.07.2025). DOI: 10.3390/f14112170.
8. Liang X., Kankare V. et al. Terrestrial Laser Scanning in Forest Inventories // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2016. Vol. 115. P. 63–77. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271616000204 (дата обращения: 06.08.2025). DOI: 10.1016/j.isprsjprs.2016.01.006.
9. Ben Abdallah F., Bouali A., Meausoone P.-J. Autonomous Navigation of a Forestry Robot Equipped with a Scanning Laser // AgriEngineering. 2023. Vol. 5, Is. 1. P. 1–11. URL: https://www.mdpi.com/2624-7402/5/1/1 (дата обращения: 01.08.2025). DOI: 10.3390/agriengineering5010001.
10. Prendes C., Acuna M., Canga E., Ordoñez C., Cabo C. Optimal bucking of stems from terrestrial laser scanning data to maximize forest value // Scandinavian Journal of Forest Research. 2023. Vol. 38, Is. 3. P. 174–188. URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/02827581.2023.2215544 (дата обращения: 01.08.2025). DOI: 10.1080/02827581.2023.2215544.
11. Tremblay J.F., Béland M., Gagnon R., Pomerleau F., Giguère P. Automatic three-dimensional mapping for tree diameter measurements in inventory operations // Journal of Field Robotics. 2020. Vol. 37, Is. 8. P. 1328–1346. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/rob.21980 (дата обращения: 01.07.2025). DOI: 10.1002/rob.21980.
12. Khaldi B., Harrou F., Sun Y. Collaborative swarm robotics for sustainable environment monitoring and exploration: Emerging trends and research progress // Energy Nexus. 2025. Vol. 17. P. 100365. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772427125000063 (дата обращения: 1.06.2025). DOI: 10.1016/j.nexus.2025.100365.
13. Neuville R., Bates J.S., Jonard F. Estimating Forest structure from UAV-mounted LiDAR point cloud using machine learning // Remote Sensing. 2021. Vol. 3, Is. 3. P. 352. URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/13/3/352 (дата обращения: 01.06.2025). DOI: 10.3390/rs13030352.
14. Kaartinen H., Hyyppä J. et al. Accuracy of Kinematic Positioning Using Global Satellite Navigation Systems under Forest Canopies // Forests. 2015. Vol. 6, Is. 9. P. 3218–3236. URL: https://www.mdpi.com/1999-4907/6/9/3218 (дата обращения: 01.07.2025). DOI: 10.3390/f6093218.
15. Тебуева Ф.Б., Антонов В.О., Кабиняков М.Ю., Свистунов Н.Ю. Алгоритм мониторинга динамической зоны распространения лесных пожаров группой беспилотных летательных аппаратов // Вестник ДГТУ. Технические науки. 2023. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-monitoringa-dinamicheskoy-zony-rasprostraneniya-lesnyh-pozharov-gruppoy-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov (дата обращения: 04.05.2025).
16. Li H.T., Todd Z., Bielski N. et al. 3D lidar point-cloud projection operator and transfer machine learning for effective road surface features detection and segmentation // The Visual Computer. 2022. Vol. 38, Is. 5. P. 1759–1774. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s00371-021-02103-8 (дата обращения: 02.07.2025). DOI: 10.1007/s00371-021-02103-8.
17. Chen S.W., Nardari G.V. et al. SLOAM: semantic LiDAR odometry and mapping for forest inventory // IEEE Robotics and Automation Letters. 2020. Vol. 5. P. 612–619. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8949363 (дата обращения: 02.07.2025). DOI: 10.1109/LRA.2019.2963823.
18. Cheng L., Chen S. et al. Registration of laser scanning point clouds: a review // Sensors. 2018. Vol. 18, Is. 5. P. 1641. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/18/5/1641 (дата обращения: 03.07.2025). DOI: 10.3390/s18051641.
19. Shan T., Englot B. LeGO-LOAM: lightweight and ground-optimized LiDAR odometry and mapping on variable terrain // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2018. P. 4758–4765. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8594299 (дата обращения: 04.07.2025). DOI: 10.1109/IROS.2018.8594299.
20. Oliveira L.F.P., Moreira A.P., Silva M.F. Advances in forest robotics: a state-of-the-art survey // Robotics. 2021. Vol. 10, Is. 2. P. 53. URL: https://www.mdpi.com/2218-6581/10/2/53 (дата обращения: 04.07.2025). DOI: 10.3390/robotics10020053.
21. Ringdahl O., Lindroos O. et al. Path tracking in forest terrain by an autonomous forwarder // Scandinavian Journal of Forest Research. 2017. Vol. 26. P. 350–359. URL: https://www.researchgate.net/publication/233094719_Path_tracking_in_forest_terrain_by_an_autonomous_forwarder (дата обращения: 04.07.2025). DOI: 10.1080/02827581.2011.566889.
22. Zhang C., Yong L., Chen Y. et al. A rubber-tapping robot forest navigation and information collection system based on 2D LiDAR and a gyroscope // Sensors. 2019. Vol. 19, Is. 9. P. 2136. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/19/9/2136 (дата обращения: 05.07.2025). DOI: 10.3390/s19092136.
23. Gupta H., Andreasson H. Robust scan registration for navigation in forest environment using low-resolution LiDAR sensors // Sensors. 2023. Vol. 23, Is. 10. P. 4736. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/23/10/4736 (дата обращения: 05.07.2025). DOI: 10.3390/s23104736.
24. Petukhov I., Steshina L., Glazyrin A. Application of virtual reality technologies in training of man-machine system operators // Proceedings of the 2017 International Conference on Information Science and Communications Technologies (ICISCT). 2017. P. 1–7. [Электронный ресурс]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8188569 (дата обращения: 07.07.2025). DOI: 10.1109/ICISCT.2017.8188569.
25. La Hera P.M., Mendoza Trejo O., Lindroos O. et al. Exploring the Feasibility of Autonomous Forestry Operations: Results from the First Experimental Unmanned Machine // Preprint. 2023. [Электронный ресурс]. URL: https://www.authorea.com/users/621881/articles/645238-exploring-the-feasibility-of-autonomous-forestry-operations-results-from-the-first-experimental-unmanned-machine (дата обращения: 07.07.2025). DOI: 10.22541/au.168492982.27477779/v1.
26. Zhao X., Wang Z., Huang C. et al. Path planning techniques for mobile robots: Review and prospect // Expert Systems with Applications. 2023. Vol. 227. P. 120254. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095741742300756X (дата обращения: 10.07.2025). DOI: 10.1016/j.eswa.2023.120254.
27. Арифджанова Н.З. Применение искусственного интеллекта для оптимизации маршрутов транспорта // Universum: технические науки. 2023. № 5 (110). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/15404 (дата обращения: 04.05.2025).
28. Cui X., Wang Y., Yang S., Liu H., Mou C. UAV Path Planning Method for Data Collection of Fixed-Point Equipment in Complex Forest Environment // Frontiers in Neurorobotics. 2022. Vol. 16. P. 1105177. URL: https://www.frontiersin.org/journals/neurorobotics/articles/10.3389/fnbot.2022.1105177/full (дата обращения: 10.05.2025). DOI: 10.3389/fnbot.2022.1105177.
29. Tang J., Chen Y., Kukko A. et al. SLAM-Aided Stem Mapping for Forest Inventory with Small-Footprint Mobile LiDAR // Forests. 2015. Vol. 6, Is. 12. P. 4588–4606. URL: https://www.mdpi.com/1999-4907/6/12/4390 (дата обращения: 11.05.2025). DOI: 10.3390/f6124390.
30. Petukhov I., Steshina L., Tanryverdiev I. Remote Sensing of Forest Stand Parameters Automated Selection of Trees in Real-Time Mode in the Process of Selective Cutting // Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Ubiquitous Intelligence and Computing, Autonomic and Trusted Computing, Scalable Computing and Communications. 2014. P. 390–395. [Электронный ресурс]. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7306980 (дата обращения: 11.05.2025). DOI: 10.1109/UIC-ATC-ScalCom.2014.113.
31. Andersson G., Flisberg P., Lidén B., Rönnqvist M. RuttOpt – a decision support system for routing of logging trucks // Canadian Journal of Forest Research. 2008. Vol. 38, Is. 7. P. 1784–1796. URL: https://cdnsciencepub.com/doi/10.1139/X08-017 (дата обращения: 11.05.2025). DOI: 10.1139/X08-017.
32. Kogler C., Rauch P. Lead time and quality driven transport strategies for the wood supply chain // Research in Transportation Business & Management. 2023. Vol. 47. P. 100946. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210539523000020 (дата обращения: 11.05.2025). DOI: 10.1016/j.rtbm.2023.100946.
33. La Hera P., Morales D., Westerberg S. et al. Exploring the feasibility of autonomous forestry operations: results from the first experimental unmanned machine // Journal of Field Robotics. 2024. Vol. 41, Is. 4. P. 942–965. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/rob.22300 (дата обращения: 11.05.2025). DOI: 10.1002/rob.22300.
34. Stamatopoulos I., Le T.C., Daver F. UAV-assisted seeding and monitoring of reforestation sites: a review // Australian Forestry. 2024. Vol. 87, Is. 2. P. 90–98. URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00049158.2024.2343516 (дата обращения: 12.05.2025). DOI: 10.1080/00049158.2024.2343516.
35. Денисов С.А., Домрачев А.А., Елсуков А.С. Опыт применения квадрокоптера для мониторинга возобновления леса // Вестник ПГТУ. Серия: Лес. Экология. Природопользование. 2016. № 4 (32). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opyt-primeneniya-kvadrokoptera-dlya-monitoringa-vozobnovleniya-lesa (дата обращения: 04.05.2025).
36. Buchelt A., Adrowitzer A., Kieseberg P. et al. Exploring Artificial Intelligence for Applications of Drones in Forest Ecology and Management // Forest Ecology and Management. 2024. Vol. 551. P. 121530. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378112723007648. (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.1016/j.foreco.2023.121530.
37. Castro Gutiérrez J., Alcaraz-Segura D. et al. Automated precise seeding with drones and artificial intelligence: a workflow // Restoration Ecology. 2024. Vol. 32, Is. 5. P. 14164. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/rec.14164 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.1111/rec.14164.
38. Sun H., Yan H., Hassanalian M., Zhang J., Abdelkefi A. UAV platforms for data acquisition and intervention practices in forestry: towards more intelligent applications // Aerospace. 2023. Vol. 10, Is. 3. P. 317. URL: https://www.mdpi.com/2226-4310/10/3/317 (дата обращения: 18.05.2025). DOI: 10.3390/aerospace10030317.
39. Jarahizadeh S., Salehi B. Advancing tree detection in forest environments: a deep learning object detector approach with UAV LiDAR data // Urban Forestry & Urban Greening. 2025. Vol. 105. P. 128695. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1618866725000299 (дата обращения: 20.05.2025). DOI: 10.1016/j.ufug.2025.128695.
40. Sandino J., Pegg G., Gonzalez F., Smith G. Aerial mapping of forests affected by pathogens using UAVs, hyperspectral sensors, and artificial intelligence // Sensors. 2018. Vol. 18, Is. 4. P. 944. URL: https://www.mdpi.com/1424-8220/18/4/944 (дата обращения: 20.05.2025). DOI: 10.3390/s18040944.
41. Aliane N. Drones and AI‑Driven Solutions for Wildlife Monitoring // Drones. 2025. Vol. 9, Is. 7. P. 455. URL: https://www.mdpi.com/2504-446X/9/7/455 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.3390/drones9070455.
42. Liang X., Wang Y., Pyörälä J. et al. Forest in situ observations using unmanned aerial vehicle as an alternative of terrestrial measurements // Forest Ecosystems. 2019. Vol. 6. P. 1–16. URL: https://forestecosyst.springeropen.com/articles/10.1186/s40663-019-0173-3 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.1186/s40663-019-0173-3.
43. Wang D., Wan B., Liu J. et al. Estimating aboveground biomass of the mangrove forests on northeast Hainan Island in China using an upscaling method from field plots, UAV-LiDAR data and Sentinel-2 imagery // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2020. Vol. 85. P. 101986. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0303243419306440 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.1016/j.jag.2019.101986.
44. Talbot B., Pierzchała M., Astrup R. Applications of remote and proximal sensing for improved precision in forest operations // Croatian Journal of Forest Engineering. 2017. Vol. 38, Is. 2. P. 327–336. URL: https://zenodo.org/records/890539 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.5281/zenodo.890539.
45. Fujimoto A., Haga C., Matsui T. et al. An end-to-end process development for UAV-SfM based forest monitoring: individual tree detection, species classification and carbon dynamics simulation // Forests. 2019. Vol. 10, Is. 8. P. 680. URL: https://www.mdpi.com/1999-4907/10/8/680 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.3390/f10080680.
46. Pierzchała M., Giguère P., Astrup R. Mapping forests using an unmanned ground vehicle with 3D LiDAR and graph-SLAM // Computers and Electronics in Agriculture. 2018. Vol. 145. P. 217–225. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168169917301631 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.1016/j.compag.2017.12.034.
47. Nevalainen P., Li Q. et al. Navigation and mapping in forest environment using sparse point clouds // Remote Sensing. 2020. Vol. 12, Is. 24. P. 4088. URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/12/24/4088 (дата обращения: 15.05.2025). DOI: 10.3390/rs12244088.
48. Ferreira J.F., Portugal D., Andrada M.E., Machado P., Rocha R.P., Peixoto P.S. Sensing and Artificial Perception for Robots in Precision Forestry: A Survey // Robotics. 2023. Vol. 12, Is. 5. P. 139. URL: https://www.mdpi.com/2218-6581/12/5/139 (дата обращения: 20.05.2025). DOI: 10.3390/robotics12050139.
49. Giusti A., Guzzi J., Cireșan D.C. et al. A Machine Learning Approach to Visual Perception of Forest Trails for Mobile Robots // IEEE Robotics and Automation Letters. 2016. Vol. 1. P. 661–667. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7358076 (дата обращения: 20.05.2025). DOI: 10.1109/LRA.2015.2509024.
50. Jiang S., Wang S., Yi Z. et al. Autonomous navigation system of mobile robot based on 3D LiDAR and 2D LiDAR SLAM // Frontiers in Plant Science. 2022. Vol. 13. P. 815218–815232. URL: https://www.frontiersin.org/journals/plant-science/articles/10.3389/fpls.2022.815218/full (дата обращения: 25.05.2025). DOI: 10.3389/fpls.2022.815218.

Введение

Лесозаготовительный сектор Российской Федерации находится в фазе технологической трансформации, обусловленной совокупностью факторов, включая перераспределение трудовых ресурсов на рынке занятости, условия масштабных геополитических санкций против национальной экономики, регуляторную нагрузку и экономические условия [1].

К основным системным проблемам лесозаготовительной отрасли Российской Федерации, которые оказывают существенное влияние на развитие данной отрасли, можно отнести:

‒ моральный и физический износ парка специализированной техники: средний срок эксплуатации харвестеров и форвардеров значительно превышает нормативные показатели, а затраты на модернизацию технопарка недоступны для большинства лесозаготовительных предприятий;

‒ структурные проблемы отрасли (по данным Ю.Ш. Блам [1]), такие как хроническое недофинансирование технологического обновления, устойчивая тенденция оттока квалифицированных операторов, необходимость адаптации импортных технических решений к специфическим условиям российских лесных массивов;

‒ экономические и технологические аргументы автоматизации. Известно, что внедрение даже базовых автоматизированных систем позволяет повысить производительность технологических процессов на 15–20 %, снизить потребление топлива на 8–12 % и уменьшить интенсивность износа узлов и агрегатов [2]. Согласно анализу McEwan [3] уже к 2025 г. произойдет массовое внедрение систем GPS-навигации и дистанционного управления, а к 2030–2035 гг. прогнозируется появление полностью автономных лесозаготовительных комплексов;

‒ технологические барьеры и перспективы развития, включающие высокую капиталоемкость автономных решений, необходимость разработки адаптивных алгоритмов для работы в сложных природных условиях, отсутствие нормативной базы для эксплуатации беспилотной техники.

Переход к автоматизированным системам лесозаготовки представляет собой стратегическую необходимость для российской лесной отрасли, однако успешная реализация этого перехода требует комплексного решения технологических, экономических и нормативных задач. В этих реалиях внедрение беспилотных технологий лесозаготовки переходит из категории инновационных возможностей в разряд стратегически необходимой меры для обеспечения конкурентоспособности отрасли [4, 5].

Особую актуальность приобретает разработка автономных лесных транспортных систем, способных эффективно функционировать в условиях сложного бездорожья. Современные достижения в области датчиковых технологий, систем автономной навигации и искусственного интеллекта создают принципиально новые возможности для автоматизации процессов транспортировки древесины [6, 7]. Реализация таких решений позволит не только минимизировать зависимость от человеческого фактора, но и существенно оптимизировать всю цепочку лесозаготовительных операций.

В рамках данного исследования проводится анализ существующих технических решений в области автономного лесного транспорта, а также выявляются ключевые технологические барьеры, требующие преодоления для успешной коммерциализации подобных систем.

Цель исследования – разработать научно обоснованную концепцию адаптивной лесотранспортной системы, обеспечивающую эффективное внедрение беспилотных технологий в условиях российского лесного хозяйства с учетом технологических, организационных и нормативных ограничений.

Материалы и методы исследования

Исследование выполнено методом системного анализа отечественных и зарубежных научных публикаций, посвященных автономным транспортным системам в лесном хозяйстве. Проведен тщательный обзор современных сенсорных технологий (LiDAR-сканирование, спутниковые навигационные системы и др.), алгоритмов автономной навигации (включая SLAM-картографирование), а также методов искусственного интеллекта (машинное обучение, компьютерное зрение) для восприятия окружающей среды и планирования маршрутов. Помимо этого, рассмотрен практический опыт применения беспилотных систем в смежных отраслях и проанализированы организационно-нормативные факторы, влияющие на внедрение данных технологий в российских условиях.

В сегодняшнем научном мире одной из наиболее широко применяемых технологий дистанционного зондирования является технология LiDAR (Light Detection and Ranging), позволяющая создавать высокоточные трехмерные модели лесных массивов для целей навигации и пространственного анализа [8].

К основным преимуществам технологии LiDAR-сканирования относится высокая точность построения трехмерных моделей [9] с погрешностью, не превышающей 5 см, даже в условиях высокой плотности подлеска. Кроме того, данная технология способна дифференцировать типы растительности и оценивать проходимость отдельных участков местности, что имеет существенное значение для планирования лесозаготовительных операций [10, 11].

Однако технология обладает рядом существенных недостатков, включая значительную стоимость специализированного оборудования, что ограничивает ее широкое применение [12]. Также отмечается снижение эффективности работы в неблагоприятных погодных условиях, таких как дождь, туман или повышенная запыленность атмосферы. Еще одним ограничением является необходимость использования мощных вычислительных ресурсов для обработки больших массивов данных, а также затрудненность их интерпретации в условиях динамически изменяющейся окружающей среды [13].

Согласно исследованию Kaartinen и коллег [14], точность позиционирования, обеспечиваемая GNSS-системами под лесным пологом, может снижаться до 5–15 м, что делает их непригодными для точной навигации лесной техники. В связи с этим авторы рекомендуют внедрение гибридных навигационных систем, комбинирующих спутниковые технологии с инерциальными измерительными модулями и LiDAR-сканированием. Такой подход позволяет компенсировать ограничения отдельных методов и повысить общую надежность навигации в сложных лесных условиях.

Перспективным направлением является применение геоинформационных систем с интеграцией данных, полученных с беспилотных летательных аппаратов [15]. Данная технология обладает рядом преимуществ, включая возможность оперативного обследования обширных лесных массивов и доступ к труднодоступным территориям. Кроме того, она демонстрирует более высокую экономическую эффективность по сравнению с традиционными методами аэрофотосъемки. Однако при ее использовании возникают определенные сложности, такие как значительные первоначальные затраты, ограниченное время полета из-за емкости аккумуляторов, зависимость от погодных условий и наличие нормативных ограничений на применение БПЛА. Дополнительным фактором, затрудняющим внедрение технологии, является необходимость обработки больших объемов данных, что требует значительных вычислительных мощностей и привлечения квалифицированных специалистов.

Значительный интерес представляет применение методов глубокого обучения для автоматизированного анализа данных лазерного сканирования с целью идентификации лесных дорог [16]. Эта технология отличается высокой производительностью, позволяя обрабатывать участки площадью до 4 км² всего за 5 с. Тем не менее ее практическому использованию препятствуют такие факторы, как недостаточный объем обучающих данных, необходимость предварительной обработки исходной информации [17], сложности адаптации к различным типам лесных массивов, а также снижение точности в условиях густого подлеска и сложного рельефа местности.

Для решения проблемы интеграции данных из различных источников лазерного сканирования, характерной для ранее рассмотренных технологий, Cheng и соавт. [18] разработали инновационную методику регистрации облаков точек [19]. Данный подход позволяет объединять информацию, полученную с различных платформ, включая воздушные, транспортные, наземные и спутниковые LiDAR-системы, что существенно расширяет возможности сенсорных систем. Однако исследователи отмечают ряд существенных ограничений этой технологии, таких как сложности обработки неоднородных данных, высокие требования к вычислительным ресурсам при работе с масштабными облаками точек, повышенная чувствительность к шумам и вариациям плотности точек, а также отсутствие стандартизированных наборов данных и унифицированных систем оценки.

Системы локализации и ориентации играют ключевую роль в обеспечении автономного движения лесных машин. Важным аспектом создания карт местности является понимание датчикового оборудования, используемого для получения исходных данных. Как показано в исследовании [20], современные лесные роботизированные системы преимущественно оснащаются следующими типами датчиков: лидарными сканерами, RGB-камерами, RTK/GNSS/INS-системами, тепловизионными камерами, датчиками окружающей среды, стереокамерами, а также гиперспектральными и мультиспектральными камерами [21, 22].

Мультисенсорная интеграция данных значительно повышает надежность систем локализации в условиях ограниченной видимости, типичных для лесных массивов. Это подтверждается исследованиями Vygantas Ušinskis и коллег [3], которые рассматривают комбинирование данных от лидаров, инерциальных измерительных блоков (IMU), одометрии и GNSS-приемников с применением расширенного фильтра Калмана в качестве ключевого подхода к обеспечению стабильной локализации лесной техники. Хотя такой подход демонстрирует устойчивость к временным потерям сигналов отдельных датчиков, он имеет существенные ограничения, включая сложность калибровки системы, повышенные требования к вычислительным ресурсам и значительную стоимость реализации.

Альтернативное решение для снижения затрат на систему локализации предложили Gupta и Andreasson [23]. Их метод регистрации сканов для навигации в лесной среде основан на использовании низкоразрешающих лидарных датчиков. Основное преимущество данного подхода заключается в возможности применения более доступных по стоимости датчиков, что существенно снижает общие расходы на систему. Однако следует учитывать, что такой компромисс приводит к уменьшению точности работы в условиях особенно густых лесных массивов.

В дополнение к техническим решениям, в работе И.В. Петухова и коллег [24] рассматривается применение технологий виртуальной и дополненной реальности в профессиональной подготовке операторов эргатических систем. Цель данного подхода – повысить эффективность обучения персонала за счет иммерсивного моделирования реальных условий: оператор тренируется в виртуальной среде, имитирующей взаимодействие с оборудованием, что позволяет отрабатывать навыки управления и принятия решений без риска для реальной техники. В исследовании особое внимание уделено проблемам применения VR/AR, связанным с вероятным когнитивным диссонансом у операторов при переходе от виртуального тренинга к работе с реальными физическими объектами. Однако VR-системы характеризуются рядом технических ограничений. К ним относятся высокая стоимость необходимого оборудования и сложность разработки достоверных виртуальных сценариев. Кроме того, такие тренажеры не обеспечивают осязательной обратной связи, а у пользователей возможно возникновение дискомфорта.

В отличие от статичной и предсказуемой городской инфраструктуры, лесная среда характеризуется высокой динамичностью и изменчивостью. Маршрут, проходимый сегодня, уже завтра может оказаться заблокированным вследствие естественных природных процессов – падения деревьев, размыва почвы или деятельности животных. В связи с этим современные беспилотные системы все чаще используют алгоритмы машинного обучения и нейронные сети, способные решать комплексные задачи восприятия окружающей среды, принятия решений и динамического планирования маршрутов.

Нейросетевые алгоритмы демонстрируют значительные преимущества в оптимизации маршрутов лесозаготовительной техники [25, 26], включая способность анализировать множество факторов одновременно, адаптироваться к изменяющимся условиям в реальном времени и улучшать качество планирования по мере накопления операционного опыта. Однако данный подход имеет и существенные ограничения: потребность в обширных наборах обучающих данных, непрозрачность процесса принятия решений («эффект черного ящика»), сложности интеграции с традиционными системами управления, а также потенциальные проблемы с сертификацией и правовым регулированием [27].

Среди немногочисленных исследований по применению нейронных сетей в управлении лесной техникой можно отметить работу Sinahi Ortega и соавт. [28], хотя она фокусируется на управлении БПЛА, что существенно отличается от задач наземного транспорта. Авторы предлагают интегрированную систему, сочетающую экологическое восприятие и планирование движения. Хотя система демонстрирует способность адаптироваться к различным лесным условиям, ее существенным недостатком остается потребность в значительных объемах размеченных данных для обучения. Тем не менее данное исследование представляет значительный интерес как один из первых примеров практического применения нейросетевых технологий в лесной среде.

Компьютерное зрение и распознавание объектов. Распознавание объектов в лесной среде представляет собой сложную задачу компьютерного зрения, обусловленную высокой вариативностью текстурных характеристик, изменчивостью условий освещения и динамикой подвижных элементов. Согласно исследованию [20], современные лесные машины преимущественно используют следующие категории алгоритмов визуального анализа: SLAM-ориентированные алгоритмы, LiDAR-базированные решения [29], системы на основе искусственного интеллекта и специализированные функциональные алгоритмы.

Важно отметить, что, в отличие от стандартных реализаций, лесные беспилотные системы требуют разработки специализированных нейросетевых архитектур, способных эффективно обрабатывать зашумленные данные и обеспечивать надежное распознавание объектов даже в условиях их частичной видимости. Именно эта фундаментальная проблема продолжает оставаться ключевым ограничением в развитии концепции автономного лесного транспорта.

В работе И.В. Петухова и коллег [30] предложена технология, позволяющая автоматически выбирать деревья для выборочной рубки в режиме реального времени на основе данных дистанционного зондирования. Данная система использует лазерное сканирование древостоя для бесконтактного измерения ключевых параметров, а затем с помощью алгоритмов нечеткой логики определяет, какие деревья должны быть срублены. Такой подход позволяет производить отбор деревьев непосредственно в ходе работы лесозаготовительной машины без участия оператора, что значительно повышает эффективность выборочных рубок. Однако авторы отмечают, что применение двумерного лазерного сканера на высоте примерно 1,3 м от земли позволяет измерять диаметры и взаимное расположение стволов, но не дает информации о форме стволов и крон деревьев, что представляет серьезную проблему при некоторых видах выборочных рубок. Кроме того, даже при использовании подобных автоматизированных систем окончательное решение о спиливании деревьев остается за оператором и при этом является одним из наиболее сложных этапов всего процесса.

Также инновационной является система поддержки принятия решений RuttOpt, созданная шведскими учеными Andersson и соавт. [31]. Их подход, ориентированный на оптимизацию логистики лесовозов, может быть масштабирован до уровня отдельных форвардеров и харвестеров, работающих в условиях делянки.

Австрийские исследователи Kogler и Rauch [32] рассматривают транспортировку как часть целостной цепочки поставок, что позволяет оптимизировать не только локальные перемещения техники, но и всю логистическую схему от делянки до потребителя. Такой комплексный подход особенно ценен в условиях дефицита ресурсов, характерного для отечественного лесного хозяйства.

Кроме того, в работе La Hera с коллегами [33] описан первый в мире беспилотный лесной транспорт для полностью автономных лесозаготовительных операций. Основным преимуществом их подхода является комплексное применение компьютерного зрения, автономной навигации и алгоритмов управления манипулятором. К недостаткам можно отнести относительно низкую скорость перемещения по пересеченной местности.

Опыт внедрения беспилотных технологий в лесном хозяйстве (на примере БПЛА). Наиболее значительные достижения в области автоматизации лесного хозяйства наблюдаются в сфере применения беспилотных авиационных систем. Согласно данным европейских исследований [20], доля БПЛА в общем парке роботизированных систем мировой лесной отрасли достигает 25 %. В обзорной работе Stamatopoulos и коллег [34] детально анализируется применение беспилотных технологий для посева и мониторинга лесовосстановительных участков [35]. Авторы подчеркивают, что использование БПЛА существенно сокращает сроки лесовосстановления на труднодоступных территориях [36, 37] и обеспечивает систематический контроль за развитием молодых насаждений, что может быть органично интегрировано в комплексную систему цифрового лесного хозяйства [38].

Ключевыми преимуществами применения БПЛА для лесного мониторинга являются: высокая оперативность обследования обширных территорий, доступ к удаленным участкам, возможность получения высокодетализированных снимков [39, 40] и сравнительно низкие эксплуатационные расходы. Однако данная технология имеет существенные ограничения, включая зависимость от метеоусловий, ограниченную продолжительность полета, сложности навигации под лесным пологом и недостаточную грузоподъемность [41].

Дополнительные технологические ограничения выявлены в исследовании Liang и соавт. [42], которые отмечают невозможность сбора данных о нижних ярусах леса, погрешности в определении высоты деревьев при плотном пологе, трудности идентификации отдельных стволов в густых насаждениях и ограниченную точность оценки объемов древесины [43]. Talbot и коллеги [44] выделяют институциональные барьеры внедрения беспилотных технологий, такие как отсутствие нормативной базы для автономных систем, сопротивление традиционных операторов, высокие риски эксплуатации дорогостоящего оборудования в сложных условиях и проблемы сертификации.

Учет указанных технологических и организационных ограничений обусловил необходимость пересмотра концепции использования дронов в транспортной логистике [45] и разработки альтернативного подхода, основанного на автономных наземных транспортных системах.

Предлагаемая концепция модернизации лесозаготовительной техники заключается в интеграции комплексной системы датчиков и вычислительных модулей, обеспечивающих автономное функционирование транспортного средства. Концептуальная архитектура системы включает четыре ключевых компонента: мультимодальную датчиковую систему, объединяющую лидарные сканеры, RGB-камеры, инерциальные измерительные блоки и GNSS-приемники для пространственной ориентации; бортовой вычислительный комплекс с программным обеспечением для обработки данных с датчиков, трехмерного моделирования местности и маршрутного планирования; нейросетевой модуль анализа данных, отвечающий за распознавание объектов и принятие решений о траектории движения; а также систему автоматизированного управления исполнительными механизмами.

Функционирование системы осуществляется по многоэтапному алгоритму. На начальном этапе, при движении под управлением оператора, происходит активное сканирование и запоминание пространственных характеристик окружающей среды [46] с фиксацией как геометрических параметров местности, так и семантических признаков объектов. Полученные данные подвергаются нейросетевой обработке, в ходе которой выделяются ключевые ориентиры, идентифицируются потенциальные препятствия и формируется карта проходимости. После загрузки материалами система по команде оператора осуществляет автономное возвращение на склад, используя созданную цифровую карту в сочетании с системой реального времени для обнаружения и обхода динамических препятствий [47]. В процессе движения происходит непрерывная оптимизация маршрута с выбором наиболее эффективной траектории с учетом текущих условий окружающей среды [48, 49].

Данный подход позволяет сохранить существующую инфраструктуру лесозаготовительных предприятий, модернизируя лишь бортовые системы техники, что существенно снижает затраты на внедрение автономных технологий по сравнению с разработкой специализированных транспортных платформ. При этом достигается значительное повышение производительности за счет автоматизации наиболее рутинных операций перемещения между складом и местом заготовки.

Результаты исследования и их обсуждение

По итогам проведенного анализа современных беспилотных технологий и опыта их применения в лесном хозяйстве можно сделать ряд обобщающих выводов [50].

С технической точки зрения наиболее существенным ограничением является обеспечение надежной навигации в специфических условиях лесной среды. Плотный полог древесных крон значительно снижает эффективность спутниковых систем позиционирования, в то время как сложный рельеф, динамически изменяющиеся препятствия и отсутствие четкой дорожной инфраструктуры делают традиционные методы навигации практически неприменимыми. Современные лидарные технологии и алгоритмы компьютерного зрения демонстрируют ограниченную эффективность при распознавании объектов в условиях переменной освещенности, неблагоприятных погодных явлений и высокой плотности растительного покрова.

Отдельной технической проблемой является недостаточная вычислительная мощность бортовых систем транспортных средств, не позволяющая осуществлять обработку значительных объемов данных с требуемой для реального времени скоростью.

В организационно-экономическом плане основным сдерживающим фактором выступает высокая стоимость современных датчиковых комплексов и специализированного оборудования, что существенно увеличивает капитальные затраты на внедрение автономных систем.

Кадровый дефицит проявляется в недостатке квалифицированных специалистов, обладающих компетенциями как в области лесного хозяйства, так и в сферах робототехники и искусственного интеллекта. Междисциплинарная природа разработки автономного лесного транспорта требует интеграции знаний из различных предметных областей, что создает дополнительные сложности в формировании эффективных рабочих групп.

Значительным препятствием являются также нормативно-правовые ограничения. Отсутствие специализированной законодательной базы, регламентирующей применение автономных систем в лесных массивах, создает условия правовой неопределенности.

Особую сложность представляет адаптация технологических решений к российским условиям эксплуатации. Уникальные природно-климатические характеристики российских лесных массивов требуют либо существенной модификации существующих зарубежных разработок, либо создания принципиально новых технических решений, учитывающих специфику местных условий.

На основе проведенного анализа авторами составлена таблица, в которой представлены сравнительные характеристики ключевых технологий автономизации лесозаготовительного транспорта.

Сравнительная характеристика ключевых технологий автономизации лесозаготовительного транспорта

Технология

Основные возможности

Достоинства

Недостатки

Области применения

Граничные условия

LiDAR-сканирование

Создание высокоточных 3D-моделей лесного массива для навигации и пространственного анализа

Высокая точность (погрешность ≤ 5 см); дифференциация типов растительности; оценка проходимости

Высокая стоимость оборудования; снижение эффективности при дожде/тумане/пыли; большие вычислительные затраты

Картирование лесных массивов; обнаружение препятствий; планирование маршрутов

Погодные ограничения (дождь, туман, запыленность); изменчивое окружение; высокая нагрузка на вычисления

Спутниковая

навигация

Глобальное позиционирование по сигналам спутников

Широкая доступность, глобальное покрытие

Точность под пологом леса падает до 5–15 м

Определение положения техники на открытых площадках

Плотная крона леса; мультипутевые искажения сигнала

ГИС c интеграцией данных БПЛА

Оперативный обзор обширных лесных территорий; доступ к труднодоступным районам

Высокая скорость обследования больших площадей; экономичнее традиционной аэрофотосъемки

Высокая начальная стоимость; ограниченное время полета; зависимость от погодных условий; регулятивные ограничения; большой объем данных для обработки

Мониторинг лесных ресурсов; лесовосстановление; картографирование

Погодные условия; время полета аккумуляторов; нормативные ограничения; вычислительные ресурсы

SLAM-навигация

Одновременная локализация и картографирование в реальном времени; построение карт деревьев

Повышенная точность картирования и позиционирования в условиях густого леса

Сложность реализации на мобильных платформах; высокие требования к вычислительным ресурсам

Автономная навигация лесных машин

Высокая вычислительная нагрузка; сложность алгоритмов

Глубокое обучение

Автоматизированный анализ данных LiDAR и других сенсоров для распознавания объектов (например, дорог)

Высокая скорость обработки больших данных

Требуется большой объем обучающих данных; необходима предобработка; снижение точности при густом подлеске и сложном рельефе

Идентификация лесных дорог и объектов; классификация местности

Объем и качество обучающих данных; адаптация к разным типам леса

Мультисенсорная интеграция

Комбинирование данных лидаров, IMU, одометрии, GNSS и др. для надежного позиционирования

Повышенная надежность локализации в условиях ограниченной видимости; устойчивость к потере отдельных сигналов

Сложная калибровка системы; повышенные вычислительные требования; значительная стоимость реализации

Навигация автономной техники в лесном бездорожье

Необходима тщательная калибровка; высокие вычислительные и финансовые ресурсы

Низкоразрешающее LiDAR-сканирование

Навигация с использованием дешевых низкоразрешающих лидарных сенсоров

Более низкая стоимость системы за счет дешевых сенсоров

Снижение точности в условиях особенно густого леса

Бюджетные решения для навигации автономных систем в лесу

Ограниченная эффективность в очень плотных зарослях

Беспилотные

летательные

аппараты

Аэрофотосъемка, посев и мониторинг лесных насаждений; дистанционное зондирование леса

Высокая оперативность обследования; доступ к удаленным территориям; детализированные снимки; низкие эксплуатационные расходы

Зависимость от погодных условий; ограниченное время полета; сложности навигации под пологом леса; низкая грузоподъемность

Мониторинг лесных ресурсов; лесовосстановление; оценка состояния насаждений

Погодные условия; ограниченное время и дальность полета; нормативные ограничения

VR/AR-тренажеры

Иммерсивное моделирование управления лесозаготовительной техникой в виртуальной среде

Позволяют безопасно отрабатывать навыки управления и принятия решений без риска для реальной техники

Высокая стоимость оборудования; сложность создания реалистичных сценариев; отсутствие тактильной обратной связи; возможный дискомфорт пользователей

Обучение операторов лесозаготовительных машин

Когнитивный разрыв между виртуальным и реальным; высокая стоимость оборудования

Нейросетевые алгоритмы

Оптимизация маршрутов и принятие решений в реальном времени с учетом множества параметров окружающей среды

Адаптивность к изменяющимся условиям; учет множества факторов; улучшение планирования с опытом

Требуют больших объемов размеченных данных; «черный ящик» принятия решений; сложности интеграции с существующими системами; нормативные и сертификационные барьеры

Динамическое планирование маршрутов; автономное управление машинами

Объем и качество обучающих данных; непрозрачность алгоритмов; законодательное регулирование

Компьютерное зрение

Распознавание объектов и анализ визуальных данных лесной среды

Позволяет дополнить сенсорную информацию визуальными данными для обнаружения объектов и ориентирования

Высокая вариативность условий (освещенность, текстуры); шумы и частичная видимость объектов; требует специализированных нейросетевых архитектур

Обнаружение препятствий, объектов, разметка лесных дорог; навигация

Плохая видимость; сильные шумы на изображениях; необходимость доработки алгоритмов

Источник: составлено авторами.

Заключение

Проведенная работа показала, что внедрение беспилотных технологий в лесном хозяйстве сопряжено с комплексом взаимосвязанных проблем, требующих научно-технического и организационного решения. Для преодоления выявленных барьеров необходимы междисциплинарный подход и координация усилий разработчиков, лесных предприятий и регуляторов. Тем не менее развитие датчиковых технологий, алгоритмов искусственного интеллекта и систем управления свидетельствует о высоком потенциале автономизации лесозаготовительной отрасли. Предложенная в исследовании концепция автономного лесного транспорта представляет собой один из возможных путей повышения эффективности и безопасности лесозаготовок за счет постепенной роботизации существующей техники. Практическая значимость результатов состоит в том, что выявленные ограничения и обобщенные рекомендации могут быть использованы при разработке дорожных карт цифровизации лесного комплекса. Учитывая технологические и экономические ограничения, реализация беспилотных систем должна носить поэтапный характер, сочетая экспериментальные внедрения с созданием нормативной базы и инфраструктуры, необходимой для широкого распространения автономных решений в лесном хозяйстве.


Конфликт интересов
Отсутствует

Библиографическая ссылка

Галкин Д.В., Петухов И.В., Стешина Л.А., Танрывердиев И.О. БЕСПИЛОТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЛЕСНОМ ХОЗЯЙСТВЕ: АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЙ И БАРЬЕРОВ ВНЕДРЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. 2025. № 10. С. 103-113;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=40534 (дата обращения: 16.11.2025).
DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40534