Умный лес

— Сергей Владимирович, то, чем вы занимаетесь, относится скорее к прикладной науке или к фундаментальным исследованиям? Насколько далеко «цифра» уже успела зайти в лес?

— Это поисковые исследования на грани между фундаментальной наукой и прикладными разработками. Мы говорим сегодня о концепции прецизионного лесоводства, то есть точного, основанного на «больших данных» подхода к ведению лесного хозяйства. Что это значит? Не просто внедрение цифровых технологий в какие-то отдельные области, например в отбор семян или целлюлозное производство. Это прежде всего смена парадигмы: вот сейчас у нас есть, так сказать, аналоговая система управления лесопользованием. Кипы регламентирующих документов предписывают, как и где заготавливать древесину, что делать с лесами и прочее. Часто решения принимаются абстрактно. На место этого «аналогового» управления должна прийти система цифрового сбора данных и математического моделирования по всем лесным направлениям, с долгосрочным планированием, детальными рекомендациями и жёстким контролем.

«Цифра» в лесу — это работа с большими данными и геопространственной информацией, моделирование экосистем и система принятия решений на основе технологий искусственного интеллекта.

Представьте, всё автоматизировано: от посева, создания плантации до перевозки брёвен и производства пиломатериалов.

Возьмём заготовку древесины, для которой уже есть успешные технологичные решения. В скандинавских странах разработана технология сортиментной заготовки леса, CTL. Все деревья делят по сортам и обрезают у самого пня (на месте произрастания дерева) в автоматическом режиме: эту операцию удалённо выполняют комбайны-«харвестеры». Спилив дерево, комбайн нарезает его на брёвна сразу в лесу, а «форвардер» перемещает их к лесовозной дороге. Все инструкции по резке передаются оператором на комбайн в режиме реального времени, сортировку контролируют бортовые компьютеры, считывая информацию с датчиков комбайна.

При таком режиме не нужна армия лесорубов, а заготовка древесины превращается в безопасный процесс. Данные с каждого лесного участка о сортах и видах заготовленной древесины передаются по сети в центральный офис с геолокацией GPS, и эта информация становится основой для принятия дальнейших решений. Например, какие деревья надо здесь сажать, какие нужны удобрения, каковы оптимальные сроки заготовки.

— То есть эта система уже реально работает в отдельных странах?

— Именно. CTL — это стандартная процедура в Скандинавии, которая уже распространяется на международном уровне. На мой взгляд, это подготовка к гигантскому скачку в технологиях и процессах во многих лесных регионах мира.

Пока полностью механизированы менее 15% всех лесохозяйственных операций в мире. Так что поле деятельности широкое.

Кстати, с 1990-х годов механизация лесозаготовок позволила удвоить производительность труда в лесном хозяйстве. Это путь к безопасности и сокращению затрат на рабочую силу. Сейчас, находясь на площадке, человек всегда рискует попасть под дерево, вес которого может составлять более одной тонны.

Сортиментная заготовка леса — лишь один из примеров и уже опробованный процесс. Есть в прецизионном лесоводстве и новые технологии, которые пока внедряются в мире точечно.

Например, лидары. Это лазерные геодезические сканеры, которые, используя данные датчиков, установленных на беспилотниках, самолётах или наземных станциях, создают с помощью лазерных лучей трёхмерные изображения местности. Лидары применяются во многих отраслях и сферах исследований. В лесном хозяйстве они позволяют создать модель рельефа, водного стока, структуры насаждения, а также оценить запасы древесины на лесосеке с определением высоты и диаметра дерева и многих других параметров.

— Разве этих данных не было раньше? Есть же, к примеру, космический мониторинг.

— Лидар даёт максимально точные данные, применимые в трёхмерном пространственном моделировании. Это позволяет, например, оптимизировать строительство дорог, причём расположить их так, чтобы они как можно меньше вреда нанесли окружающей среде, учитывали планы развития лесосырьевой базы. Есть даже такой термин — Smart Road Net, «сеть умных дорог».

Экономический эффект использования лидара оказался выше, чем первоначально ожидалось. Например, менеджеры одной компании заказали лидарное сканирование своего леса. Они занимались просто лесной инвентаризацией. А в итоге увидели большие преимущества по использованию информации о местности в планировании лесозаготовок: какое требуется оборудование, как его размещать. А вот ещё пример из практики: работая в насаждении из перестойных деревьев, там, где стандартная ошибка при таксации составляет около 40 %, мы обнаружили, что внедрение цифровой инвентаризации сокращает ошибку до менее чем 10 % и в целом значительно ускоряет задачу таксации леса.

— Беспилотники тоже уже используют в лесохозяйственных целях?

— Да, всё чаще — для наблюдений и картографирования. БПЛА с тепловыми и мультиспектральными камерами могут обнаруживать вспышки лесных вредителей или начало пожара. Есть уже попытки использовать беспилотные аппараты в отдалённых и труднодоступных местах для таких простых дел, как посев семян, опрыскивание от сорняков и болезней или подкормка молодых саженцев удобрениями. Между прочим, точность обнаружения вредителей с помощью беспилотников — от 80 до 95%.

— Звучит фантастически, конечно.

— Это лишь часть большого комплекса возможностей. Главное состоит в том, что прорывные технологии затрагивают все области лесного хозяйства. Всю цепочку создания добавочной стоимости — от генетики растений до, скажем, пеллет и бумаги.

Взять генетику. Выбор генов будущих насаждений играет решающую роль в качестве будущей древесины. Технология прогрессивной генетической селекции подразумевает ДНК-баркодинг и отбор пород на основе геномных маркеров. Можно выбрать самый подходящий для региона генетический профиль дерева и использовать клонирование. Урожайность таким способом можно повысить на четверть.

Дальше. Лесосеменоводческие центры, лесные питомники можно полностью автоматизировать. Контролировать среду выращивания посадочного материала в оптимальных для него условиях. Есть примеры — современный питомник в Уругвае. Там время производства саженцев сократилось на 15 %, до 100 дней вместо 120, а расход воды уменьшился на целых 75 %. Приживаемость лесных культур при контролируемых условиях их роста — более 60 %. Это высокий показатель.

Контролировать с помощью датчиков можно не только питомник, но и конкретные участки в лесу. Мультисенсорные системы на основе интернета вещей (IoT) с датчиками в почве, на стволе и в кроне дерева позволяют определить, каким должен быть режим увлажнения для благоприятного роста, какие мероприятия надо проводить, чтобы лес лучше рос. Исследования, которые также проводились в Южной Америке, показали, что подготовка почвы с внесением удобрений на конкретных участках повышает урожайность лесов до 50 %!

Такой же контроль можно установить за водными ресурсами.

Об автоматизированной заготовке мы уже говорили. «Цифра» в лесной инвентаризации и рубке леса приносит значительную выгоду, это рост производительности лесов и выхода пиломатериалов, уменьшение количества отходов. Общая стоимость отдельных операций по лесозаготовке снижается процентов на 20. А выход деловой древесины растёт на 8—10 %.

Далее — автоматическая погрузка леса. Тоже в удалённом режиме, автономно, что полностью исключает риск получения травм. И транспортировка с использованием передового ПО, централизованная диспетчеризация грузов. Кстати, одна целлюлозно-бумажная компания в США снизила стоимость поставки древесины на свои заводы на 2,5 %, применив компьютерную логистику. Такой же инструмент использовали две шведские компании, уменьшив транспортные расходы на 5 %.

— Вы много говорите о безлюдных технологиях, а каким образом будет налажен процесс контроля за автоматическими работами где-нибудь в тайге?

— В лесу будут развёрнуты мобильные электронные устройства, которые дают постоянный доступ к лесным информационным системам и инструментам планирования для руководителей. Такие приборы уже существуют. Например, недавно портативные гаджеты представила лесозаготовительная компания в Южной Америке. Поступает сбор данных в локальное хранилище off-line, которое потом, при подключении к сети, передаёт пакет данных на централизованное хранилище и центр обработки информации.

К сожалению, в лесном хозяйстве России сегодня мало используется комплексная аналитика. С её помощью можно, например, выявить критические для роста деревьев факторы, определить, что будет более эффективно сейчас, например, использование удобрений или ирригация. В компании «ТимберМашБайкал», представляющей одну из крупнейших компаний лесного машиностроения John Deere, все сервисные работы проводятся на основе анализа данных о работе агрегатов, собранных в автоматическом режиме. И мастер, выезжая на сервисные работы, точно знает, что ему следует сделать, он уже имеет при себе полный набор необходимых комплектующих. В оценке состояния лесов передовые цифровые технологии сейчас активно использует Центр защиты леса Красноярского края — одна из лучших организаций России по своему профилю.

— И всё же вы приводите примеры преимущественно из зарубежной практики, а как активно используют «цифру» в России? Насколько для нас это далёкое будущее?

— Пока у нас ведутся только опытные проекты по цифровому лесу. За рубежом — да, есть реальное применение новых технологий. Наиболее продвинутые в этом плане США и скандинавские страны. Но это единственный путь повышения эффективности и сохранения лесов. Цифровой подход — не только создание новой стоимости за счёт улучшения лесопользования. На карту поставлена значительная социальная ценность. Эти меры снижают нагрузку на естественные леса.

— Сколько в мире лесов и остаётся ли Россия самой лесной страной?

— В мире сегодня около 300 млн гектаров плантационных лесов, то есть искусственно посаженных. И 900 млн гектаров естественных защитных. (300 млн гектаров — это примерно площадь Индии, 900 млн — США или Китая). Это те леса, в которых ведётся хозяйствование. Вместе они поставляют ежегодно около 2 млрд кубометров промышленной древесины и 2 млрд топливной. Общая ценность мировых лесных ресурсов — до $150 трлн.

Если говорить о лесах России, то мы обладаем самыми богатыми лесными ресурсами в мире. В основном это хвойные и смешанные леса северных широт.

Но у нас есть масса негативных факторов — экстенсивные рубки, пожары, вредители леса. Чтобы не потерять наш уникальный ресурс уже через 20—30 лет, надо решительно пересмотреть подходы к управлению им. Радикальные меры надо применять уже сейчас. Рационально, с использованием цифровых технологий, заниматься восстановлением лесов и вести работы в них.

Ведь главная ценность лесов нематериальна. Это та роль, которую они играют в регулировании климата на планете и других экологических аспектов. Меняя землепользование, устоявшиеся природные режимы, мы провоцируем вырождение лесов.

Один из проектов, который поможет остановить деградацию лесных насаждений, — это декарбонизация. И поскольку в Красноярске сложился серьёзный кластер лесной науки, край претендует на то, чтобы стать базовым регионом для этого проекта.

— В чём его суть?

— Здесь стоит начать с того, что такое декарбонизация и как возникла необходимость заниматься этим. Использование угля и углеводородного топлива, как известно, привело к созданию парникового эффекта. В последний ледниковый период на Земле было на 4,5 градуса холоднее, а уровень моря — на 120 м ниже. Эмиссия CO2 продолжает расти, и если ничего не делать, то через 80 лет температура воздуха вырастет ещё на 3–5 градусов. Это означает катастрофическое изменение климата. Чтобы этого не произошло, нужна «зелёная» трансформация экономики. Зелёная инфраструктура — это 30 млн новых рабочих мест.

За 15 лет нам нужно максимально декарбонизировать всю экономику, минимизировать углеродный след своей деятельности. Полностью всё сделать «чистым» нельзя. Но мы можем изымать углерод из атмосферы в рамках специальных проектов. Вот всё это и называется «декарбонизация».

При этом изобретать новые технологии не нужно, они уже есть, от установок прямого захвата атмосферного углерода и захоронения его в полостях Земли до карбоновых ферм и плантаций, где почва «забирает» до 10 тонн углерода на гектар в год, сохраняя его на сотни лет при правильном землепользовании.

Карбоновые фермы можно создавать в том числе на лесных территориях России. Здесь важен тип леса. Наиболее эффективное поглощение СО2 происходит на участках с древесно-кустарниковой растительностью или в молодых лесах возрастом до 30 лет. Нужны специальные меры по повышению продуктивности насаждений, предупреждению пожаров, раннему выявлению болезней. Это должны быть леса из высокопродуктивных пород деревьев.

Для подтверждения показателей углеродопоглощения необходимо создавать тестовые участки — карбоновые полигоны, которые помогали бы и верифицировать (проверять) данные, и отрабатывать новые технологии по повышению углеродной ёмкости экосистем.

Сельскохозяйственные и лесные карбоновые фермы России должны быть встроены в международные проекты. Экономический эффект от их использования может составить до $2,7 млрд в год. И уже сейчас настало время приступать к их проектированию, подготовке персонала и техники.

В мировом сообществе нет сомнений, что введение жёстких экологических стандартов неизбежно, а декарбонизация экономики — неотвратимый процесс. У России, и в частности у Сибири, есть все возможности, чтобы быть в лидерах этого процесса.

— Сергей Владимирович, проект декарбонизации — это основная тема ваших научных интересов? Какая область вам наиболее близка?

— Лично мне более всего интересна лесная пирология — научно обоснованная политика в отношении пожаров и применения огня в лесах.

— Как специалист что скажете о причинах жутких прошлогодних лесных пожаров?

— Не считаю, что они были жуткими, и во многом ситуация была раздута в соцсетях. Пожары 2019 года не превышали по площади максимальные показатели горимости (площади, пройденной огнём) прошлых десятилетий. Но в связи с климатическими изменениями поменялись метеоусловия: произошёл заброс дыма в южные районы Сибири. Если раньше устойчивый якутский антициклон стоял над Красноярским краем по 3—4 недели, то тем летом он задержался на 6 недель и дольше. И это можно назвать аномальным явлением. Ещё одной неблагоприятной особенностью года стала сила пожара; она оказалась больше обычного, и на площади, пройденной огнём, погибло больше деревьев, чем это было свойственно лесным пожарам ранее.

Вообще, пожары есть и будут, они являются природным фактором. Главное — чтобы горение происходило в рамках исторически сложившихся пожарных режимов, которые были выработаны тысячелетиями. Леса к ним «привыкли». Комплексы лесных пород адаптированы к воздействию огня по-разному, но жить без него не могут. 75% лесных пожаров в Сибири — низовые, после которых лесные системы продолжают успешно развиваться дальше. Кстати, термин «площадь сгоревших лесов» неправильный: после большинства пожаров леса не погибают,
а, напротив, начинают лучше расти. В оценке воздействия стихии надо использовать другое понятие — «площадь, пройденная огнём».

Пожары для леса естественны, это как для нас стричь волосы или ногти. Большая часть экосистем — пирогенного происхождения, и без пожаров леса начинают болеть, деградируют, погибают от грибковых заболеваний и вредителей. Например, наша берёзовая роща в Студенческом городке — это перестойное насаждение без подроста, и она в плохом состоянии в том числе из-за отсутствия пожаров. Возгорания способствуют биоразнообразию. Например, в заповеднике Хакасии из-за того, что там десятилетиями сдерживали пожары, исчезли некоторые краснокнижные виды.

— Получается, пожары не надо тушить?

— Надо, но избирательно. Мы можем вмешаться несколькими способами. Во-первых, глобально изменить землепользование. Во-вторых, тушить пожары, угрожающие лесным массивам, которые не должны гореть: темнохвойным лесам, кедровым плантациям. В-третьих, проводить контролируемые выжигания, которые повышают устойчивость лесов и к огню, и к вредителям, и к изменениям климата.

Смотрите, как получается: сосновый бор должен гореть раз в 25 лет, и это будут низовые пожары, в которых сгорит опад и сухая подстилка. Но если пожар случается через 40 лет, он будет интенсивным, верховым и пойдёт по кронам, уничтожая древостой и лес целиком.

— Вы упомянули берёзовую рощу в Студенческом. Она в плохом состоянии, как и часть других городских лесов. Что делать с ними?

— Вести лесное хозяйство на научной основе. Использовать при этом все современные инструменты — контролируемое выжигание, цифровое моделирование, космический мониторинг, оценку экосистемных услуг. Пригородные леса нужно рассматривать именно как объекты с большим спектром услуг: рекреационных, водорегулирующих, очистки воздуха и так далее. Оценивая их комплексно, надо так же и ухаживать за ними.

Пока никаких мероприятий по повышению рекреационной устойчивости или биоразнообразия ближних к городам лесов не проводится, они растут сами по себе, и все работы ограничиваются посадками. В роще у Академгородка ранее высаживали ёлки, но так, будто потом планировали срубить. Не пытались разнообразить растительность, выделить «видовки», сажать деревья куртинами. Жаль, что комплексный подход не внедряется в практику.

— Сергей Владимирович, как вы «пришли в лес»? Что стало решающим при выборе профессии?

— Сколько себя помню — всегда тянуло в лес, в горы, на речку. Поэтому пошёл сначала в лесохозяйственный техникум (в городе Бийске Алтайского края), затем в лучший лесной институт — Сибирский технологический в Красноярске. Шаг за шагом, проект за проектом. Я учился и одновременно работал в Институте леса им. В.Н. Сукачёва СО РАН. Недавно моему учителю Эрику Николаевичу Валендику, экс-заведующему лабораторией лесной пирологии, исполнилось 90 лет! Вот на него и равняюсь.

— Остаётся ли у вас время на увлечения?

— Конечно. Это охота, в том числе подводная, рыбалка, путешествия, гитара, книги, параплан, дайвинг, горный велосипед, альпинизм, фотосъёмка, пчеловодство, геополитика. Ну и баня по выходным.

— А лес? Какой лес для вас самый лучший?

— Горный. Люблю горы, маленькие речки и горные озёра. А вот океаны и моря — не моё. Люблю все деревья, но самые любимые — липа и кедр.

Хотелось бы, чтобы и к липовым рощам, и к кедровым лесам, и ко всей остальной тайге отношение у нас стало другим: осознанным, научно обоснованным и технологичным.