Изучение возможности применения методов автоматического дешифрирования для изучения растительного покрова по ДДЗЗ на примере лесопарковой зоны «Лебяжье» города Казани

4). При этом отдельные мелколиственные участки вкраплены в массив сосняков и наоборот — хвойные участки прослеживаются в березняках. Для растительного покрова лесопарка под влиянием антропогенного ухода за древесной растительностью на значительной территории характерна поквартальная породно-возрастная структура, когда целые кварталы заняты древесной растительностью одной породы одного возраста.

Рисунок 4. Таксационная карта (2002 год) лесопарковой зоны Лебяжье Для растительного покрова характерно преобладание средневозрастных, приспевающих, спелых и перестойных возрастов деревьев и недостаточное количество молодняков.

Распределение лесов по породам и группам возраста на территории парка представлено в таблице 5.

Таблица 5.

Площадь (га) древесных пород лесопарка Лебяжье разных возрастов по состоянию на 2002 год Древесные и кустарниковые породы Возрастные группы пород Молодняки Средневозрастные Приспевающие Спелые и перестойные Всего 1 класса 2 класса Сосна 6 21 454 365 136 982 Ель 2 3 22 2 2 31 Пихта 1 1 Лиственница 1 1 Дуб в/ствольный 139 139 Береза 1 10 103 77 984 1175.

Осина 1 10 23 33 67 Липа 3 116 87 127 333 Тополь 2 1 3 Ива древовидная 20 1 21 Ива куст. (тальм) 1 1.

Характер растительного покрова лесопарковой зоны определен не только естественными факторами, но и антропогенным воздействием — лесоустроительными мероприятиями, созданием дорог, рекреационных объектов и т. п., а также воздействием посещений. Так, лесоустроительные мероприятия на территории лесопарка (выборочные рубки, высадка новых видов растительности, мелиоративные мероприятия и т. д.) не только приводят к изменению возраста лесов и их породного состава, но и существенно замедляют процессы сукцессии по сравнению с естественными лесными массивами, а также искусственно изменяют среду обитания деревьев. Доступ большого количества посетителей в парк приводит к угнетению растительности нижних ярусов (из-за вытаптывания, выламывания и т. д.), в том числе и подроста, переуплотнению почвенного покрова и ухудшению условий прорастания семян. В настоящее время на растительный покров лесопарковой зоны существенное влияние оказывают процессы общего иссушения территории в связи с нарушением ее гидрологического режима при строительстве западной промзоны Казани и автодороги Казань — Зеленодольск. Снижение поступления воды с водосборного бассейна в озера ведет не только к обмелению озер и, соответственно, изменению их прибрежной растительности, но и оказывает непосредственное воздействие и на древесный покров, особенно в зонах временных водотоков.

В целом, в лесопарковой зоне изменения растительного покрова, предположительно, весьма значительны и потребность в их выявлении вполне оправдывает применение для этих целей данных дистанционного зондирования.

.Глава 3. Применение методов дешифрирования данных космических снимков для исследования изменений в растительном покрове лесопарковой зоны «Лебяжье» с 2002 по 2010 годы.

Характеристика данных дистанционного зондирования, используемых для изучения изменчивости растительного покрова лесопарковой зоны «Лебяжье».

Сохранение лесопарковой зоны Лебяжье, как ООПТ местного значения и места отдыха горожан требует проведения своевременных лесовосстановительных мероприятий. При этом, важным вопросом становится срок и характер их осуществления, что требует, в том числе и выполнения мониторинга лесного покрова территории. Однако, обследование территории традиционными (наземными) способами является достаточно долгим и дорогостоящим. В связи с этим возникает потребность применения методов дистанционного зондирования для мониторинга растительности в лесопарке. Одним из источников данных для этих целей могут служить спутниковые снимки. Они могут использоваться для определения проективного покрытия территории теми или иными породами деревьев, установления возраста и состояния древостоев, высоты древесной растительности, ее густоты и т. д. Однако, использование космоснимков требует отработки технологий их применения для конкретной территории.

Для настоящей работы в качестве исходных данных используются монохроматический спутниковый снимок высокого разрешения монохроматические (в оттенках серого) многозональные спутниковые снимки Landsat-5 от 11 июля 1994 года и Landsat-8 от 19 июня 2013 года, а также материалы последнего таксономического обследования территории лесопарка (2002 года) — карты таксации масштаба 1:

10 000.

3.

2. Технологии и методы обработки данных дешифрирования космоснимков для изучения растительности в лесопарковой зоне.

Изучение состояния растительного покрова лесопарковой зоны «Лебяжье» требует определения изменений проективного покрытия, породного состава и возраста древесной растительности в лесопарковой зоне.

Для использования космических снимков в качестве источника оценки таксационных показателей необходимо использовать особенности конкретных объектов, по которым они могут быть опознаны на аэрокосмических снимках (Симонов Д.П., 2012).

Методика оценки состояния растительности по данным космоснимков в лесопарковой зоне Лебяжье включала следующие этапы:

Общее визуальное ознакомление с изображением на космоснимках территории лесопарка и его окрестностей при помощи синтезированных снимков в видимом диапазоне;

Анализ характера растительного покрова на основе использования различных диапазонов съемки.

Применение индекса NDVI для определения свойств растительного покрова территории лесопарковой зоны.

Предварительный визуальный анализ характеристик растительного покрова был выполнен на основании снимка высокого разрешения GeoEYE-1 (рис. 5), выполненного в видимом диапазоне. По указанному снимку весьма четко идентифицируются лесистые и безлесные участки суши, водные объекты, а также искусственные объекты: застроенные территории, дороги и др. (рис.

6.). Вместе с тем, особенностью снимка является достаточно слабый контраст между участками с древесными массивами лиственных и хвойных деревьев, различия достаточно четко проявляются только на значительном увеличении.

Рисунок 5. Снимок высокого разрешения в видимом диапазоне, выполненный спутником GeoEye-1 в 2010 году На рисунке 6 хорошо идентифицируются правильные прямоугольные и линейные очертания объектов антропогенного характера, несмотря на то, что древесная растительность густо расположена между ними.

Рисунок 6. Отображение на снимке объектов антропогенного характера.

На рисунке 7 слева хорошо видна густая текстура леса, с редкими просветами и тенями деревьев. Справа же видно разреженную текстуру леса, с обширными просветами и значительным расстоянием между деревьями. Также на снимке просматриваются участки травяного покрова под деревьями, тропинки и дороги.

Рисунок. 7. Отображение густого древостоя (слева) и редколесья (справа) на снимке.

Непосредственное антропогенное воздействие на природные комплексы лесопарковой зоны, помимо строительства различных объектов сопряжено и с вытаптыванием территории рекреантами, в частности, с образованием троп. На рисунке 8 четко различима линейная разветвленная структура дорог и троп, выделенная более светлым тоном среди травянистой растительности.

Рисунок 8. Отображение открытых участков с различной степенью вытоптанности травяного покрова, грунтовые дороги и лесные тропы, а также песчаный и эрозионно-расчлененный берег Малого Лебяжьего озера.

Однако, антропогенное воздействие на территорию лесопарка связано не только с уничтожением, но и с восстановлением растительности в нем, в частности, с высадкой деревьев. Результаты этого воздействия также фиксируются космоснимками. На рисунке 9 отображены искусственные посадки ели на различных участках лесопарковой зоны, которые изображаются в виде регулярных рядов мелких саженцев.

Рисунок 9. Отображение территорий посадок ели.

Для лесопарковой зоны в настоящее время характерен процесс усыхания озерной группы Лебяжье.

Рисунок 10 Отображение приозерной растительности (рогоза и осоковых) вокруг Сухого (слева) и Большого (справа) Лебяжьего озер.

При помощи снимка GeoEye-1 в видимом диапазоне была составлена карта растительности средней части лесопарка от его северной границы до Юдинского карьера, охватывающая озерную группу Лебяжье и Глубокое, автомобильную и железную дороги и прилегающие к ней лесные массивы. Данная часть лесопарка характеризуется наибольшим ландшафтным разнообразием и наиболее интенсивной антропогенной нагрузкой. На карте изображены зоны древесной растительности с нормальным покрытием (зеленый цвет), редколесья (салатовый цвет), участки распространения тростниково-рогозовой растительности (голубой цвет), безлесные участки, покрытые травянистой растительностью (коричневый цвет), участки новых посадок деревьев (темно-зеленый цвет) а также антропогенная застройка (лиловый цвет) и дороги. Для указанных участков были определены занимаемые площади (таблица 6).

Рисунок 11 Карта растительности средней части лесопарковой зоны Лебяжье Таблица 6.

Площадь выявленных участков:

Наименование участка: Ззанимаемая площадь (га): Плотный древостой 750 Разреженный древостой (редколесье) 142 Посадка 7,6 Приозерная растительность (рогоз, осоковые) 14 Открытые зоны с различной степенью вытаптанности травостоя 51,4 Водные объекты 27,8 Антропогенные объекты 30,7.

Для определения явных различий в состоянии территории лесопарка, производилось визуальное сравнение снимка GeoEye-1 2010 года и Landsat 1994 года, синтезированного в видимом диапазоне (рис. 12):

Усыхание группы Лебяжьих озер, изменение формы их котловин;

Затопление водой прибрежной части (к северу) Юдинского карьера, увеличение площади водного зеркала в карьере;

Усыхание мелких озер в юго-восточной части лесопарковой зоны Вместе с тем, по данным визуального анализа можно констатировать, что конфигурация зон древостоев, в целом, сохранилась. Не изменилась и форма озера Глубокое.

Рисунок 12 Изображение лесопарка Лебяжье и его окрестностей в видимом диапазоне, синтезированное по данным снимков спутника Landsat-5 от 11.

07.1994.

Для анализа состояния растительности в лесопарковой зоне в 1994 и 2013 годах были синтезированы снимки в ближнем инфракрасном диапазоне (рис. 13, 14) и комбинации ближнего инфракрасного и коротковолнового инфракрасного (рис. 16, 17) диапазонов. На снимке Landsat-5 (рисунок 13), синтезированном из каналов 4,3,2, хорошо просматриваются зоны разделения древесной растительности на хвойную (более темные участки) и лиственную (более светлые участки). Хвойная растительность преобладает в южной части парка, лиственные породы сосредоточены преимущественно в его северной части. При этом, на снимке хорошо видны вкрапления участков хвойных пород в лиственный массив (на севере и северо-западе лесопарковой зоны) и отдельные участки лиственных пород, вкрапленные в хвойный массив (юго-восточная и западная части лесопарковой зоны).

Вместе с тем, участки новых посадок не фиксируются. Весьма четко видны и участки с пойменной растительностью (комбинации влаголюбивых мелколиственных древесных и кустарниковых пород с луговой растительностью). На снимке они изображаются участками ярко-розового цвета. Пойменная растительность хорошо выражена вдоль овражно-балочной сети, а также в прибрежной полосе группы Лебяжьих озер.

Объекты неорганической природы фиксируются на снимке участками с выраженной синей составляющей. Водные объекты изображены темно-синим (практически черным) цветом, голубым цветом изображаются городская застройка, дороги и участки выходов пород, лишенные почвенно-растительного покрова. Сочетание цветов позволяет легко отделить территорию лесопарковой зоны от застройки, а также выделить участки, лишенные растительности, в пределах самой лесопарковой зоны.

Рисунок 13. Состояние растительного покрова лесопарковой зоны Лебяжье и ее окрестностей по данным снимка Landsat-5 от 11.

07.1994 (комбинация каналов 4,3,2).

Сравнивая территорию лесопарковой зоны со снимка Landsat-5 1994 года с изображением 2013 года (рисунок 14) нетрудно заметить изменения, произошедшие в растительном покрове. Наиболее ярко выраженные изменения характерны для группы Лебяжьих озер, в которой Большое, Сухое и Среднее Лебяжье озера пересохли, а озерные котловины заросли аналогом пойменной растительности. Сопоставляя снимки, можно также увидеть, что у северной границы лесопарковой зоны появились значительные участки растительности, характерной для пойм.

Рисунок 14. Состояние растительного покрова лесопарковой зоны Лебяжье и ее окрестностей по данным снимка Landsat-8 от 19.

06.2013 (комбинация каналов 5,4,3).

Сравнение таксономической карты и космоснимков с целью выявления изменений в растительном покрове может быть выполнено несколькими способами. Одним из наиболее эффективных считается метод оверлея — послойного наложения карт и разновременных снимков. Целью наложения является фиксация различий в разновременных изображениях. В процессе оверлея для лесопарковой зоны Лебяжье предполагалось выявить:

Изменения границ лесопокрытых зон;

Изменения ареалов типов растительности относительно таксационной карты Изменение возраста лесных насаждений относительно карты таксации (с поправкой на разницу во времени между картированием и съемкой).

На рисунке 15 приведен фрагмент наложения таксационной карты на снимок 2013 гола, синтезированный в инфракрасном диапазоне. Однако, в силу разницы в масштабах изображения и низкого качества исходного материала (таксационной карты) указанные изменения как достоверные выявить не удалось.

Рисунок 15. Участок лесопарковой зоны по состоянию на 2013 год с наложенной таксационной картой 2002 года.

Комбинация каналов ближнего инфракрасного и коротковолнового инфракрасного диапазонов применялась для лучшего отображения изменения границ водных объектов, поскольку значительные изменения характера растительности лесопарковой зоны обусловлены усыханием Лебяжьих озер. Зарастание озерных котловин отмечается уже на данных дистанционного зондирования 1994 г (рис.

16), хотя здесь заметны еще и достаточно обширные участки почв без растительности. На снимках 2013 года (рис. 17) озерные котловины пересохших озер практически полностью покрыты растительностью, соответствующей пойменной.

Рисунок 16. Состояние растительного покрова лесопарковой зоны Лебяжье и ее окрестностей по данным снимка Landsat-5 от 11.

07.1994 (комбинация каналов 7,5,3).

Рисунок 17. Состояние растительного покрова лесопарковой зоны Лебяжье и ее окрестностей по данным снимка Landsat-8 от 19.

06.2013 (комбинация каналов 7,6,4).

Рисунок 18. Наложение положения водных объектов по данным снимков 2013 года на границы водных объектов по снимкам 1994 года Изменения растительного покрова лесопарка во многом связаны с изменениями и других элементов ландшафта, например границ водных объектов. Это хорошо видно по изменению водопокрытой площади Лебяжьих озер. На рисунке изображено наложение площадей водной поверхности озера Глубокое и группы Лебяжьих озер по состоянию на 2013 год на снимок 1994 года. Если площадь Лебяжьих озер существенно сократилась (покрыто водой осталась только центральная часть озера Малое Лебяжье), то изменения водопокрытой площади озера Глубокое оказались незначительны — в пределах сезонных колебаний уровня.

Изменения покрытой водой площади озер хорошо прослеживается и при наложении на снимок 2013 года контуров озер с таксационной схемы 2002 года (рисунок 19).

Рисунок 19. Наложение границ группы Лебяжьих озер с таксационной схемы 2002 года на снимок 2013 года.

По снимкам может быть зафиксировано изменение типа растительности и покрытия по состоянию на июнь 2013 года со схемой 2002 года (рис. 20). Хотя визуально прослеживается совпадение достаточно значительной части контуров с таксационной карты с участками с различным цветом и яркостью на снимке, большое количество небольших по площади участков изменения яркости и цвета, вкрапленных в них не позволяет производить оценку измененности растительного покрова в автоматическом режиме. Более приемлемым в этом случае является ручной режим, позволяющий оператору самостоятельно оценить значимость того или иного выдела на снимке для изменения растительности. Кроме того, при оценке измененности должны быть использованы и дополнительные индексы характеристик растительного покрова.

Рисунок 20 Наложение контуров растительности с таксационной карты 2002 года на снимок 2013 года (фрагмент в районе Лебяжьих озер) Для определения различий в породном составе и состоянии растительного покрова для территории лесопарковой зоны по данным снимков были определены индексы NDVI (рис 21, 22). Индексы рассчитывались стандартными средствами программного комплекса Erdas Imagine, после чего на участок с рассчитанными индексами были наложены границы таксационных выделов с карты 2002 года. Различия в индексе можно заметить даже на визуальном уровне. Индекс NDVI, определенный по данным снимков 1994 года, характеризуется весьма низкой пространственной детализацией, при которой размеры пикселей на обработанном снимке сопоставимы с размерами большинства выделов растительности. Это не дает возможности однозначно интерпретировать характеристики растительного покрова лесопарка для этого года. В то же время на снимках 2013 года пространственное разрешение расчета NDVI заметно выше, поэтому здесь можно отследить изменение характера растительного покрова на уровне таксационных выделов.

Вместе с тем, как снимки 1994, так и 2013 года позволяют на основе NDVI однозначно определить изменение положения объектов, не связанных с древесной растительностью: водных объектов, дорог, участков, лишенных растительности и др. Так, на основании данных об NDVI хорошо индицируется дорога в западной части лесопарка, появившаяся после 2002 года (рис. 21, 23), заметно расширение покрытой водой площади Юдинского карьера и сокращение водной поверхности Лебяжьих озер. Хорошо заметно и сокращение лесопокрытой площади по окраинам лесопарка с 1994 года. В то же время, обработка изображений с целью долговременного мониторинга состояния древесной растительности лесопарковой зоны требует совершенствования механизма расчета NDVI старых снимков, направленное на повышение разрешающей способности конечных изображений.

Рисунок 21. (NDV1), рассчитанный по снимку Landsat-5 1994 года.

Рисунок 22. NDV1, рассчитанный по снимку Landsat-8 2013 года.

Рисунок 23 Наложение таксационной схемы лесопарковой зоны на схему NDVI 1994 года (западная часть лесопарковой зоны.

Рисунок 24 Наложение таксационной схемы лесопарковой зоны на схему NDVI 2013 года (западная часть лесопарковой зоны.

Рисунок 25 Наложение таксационной схемы лесопарковой зоны на схему NDVI 1994 года (восточная часть лесопарковой зоны.

Рисунок 26 Наложение таксационной схемы лесопарковой зоны на схему NDVI 2013 года (восточная часть лесопарковой зоны).

Заключение

.

Применение данных дистанционного зондирования в различных науках о Земле и видах хозяйственной деятельности, связанных с использованием различных геокомпоентов является одним из перспективных направлений развития современных инструментальных методов географии. Одним из таких направлений деятельности является лесная таксация, в частности определение состояния лесных массивов, подвергаемых интенсивному антропогенному воздействию. Одним из таких массивов является лесопарковая зона Лебяжье города Казань.

Отработка методов исследования территории лесопарка на основе данных космических снимков Landsat основывалась на предположении, что в условиях резкого антропогенного изменения свойств ландшафта лесопарка в результате перекрытия малых естественных водотоков автотрассой Казань-Зеленодольск в его древесном покрове произойдут изменения, которые могут быть зафиксированы спутниковыми снимками небольшого разрешения. Обработка данных спутниковых снимков производилась при помощи программы Erdas Imagine 2010.

В ходе исследования было произведено дешифрирование растительного покрова лесопарка по снимку GeoEYE 2010 года, а также сопоставление многозональных снимков территории лесопарка, выполненные аппаратами Landsat 5 в 1994 году и Landsat 8 в 2013 году.

По указанным космоснимкам однозначно дешифруются лесопокрытые участки, тип покрытия (сплошное или разреженное), основные признаки древесной растительности (хвойные и лиственные деревья, участки пойменной или сходной с нею растительности), участки, лишенные растительности. В то же время, на основе данных снимков не может быть получено точных сведений о породном составе лесного массива (на уровне видов).

Первоначальное визуальное дешифрирование территории лесопарковой зоны выполнялось на основе снимка высокого разрешения GeoEye-1.

В ходе работы было выполнено сравнение снимков территории, выполненных спутником Landsat-5 в 1994 году и Landsat-8 в 2013 году. Сравнение производилось в программном комплексе QGIS 2.8 с использованием снимков, обработанных программным комплексом ERDAS 2010. В ходе сравнения была выявлена нецелесообразность оценок данных измененности растительного покрова на основании снимков Landsat в автоматическом режиме, в то же время вполне возможна оценка его измененности в ручном режиме с использованием как нескольких каналов, так и индексов, рассчитанных на их основе, например NDVI. Вместе с тем, на качество оценки существенно влияет качество исходных материалов, получаемых традиционными способами картографирования, например, таксационных схем, которые изначально создавались с использованием технологий, ориентированных не на картографическую точность, а на схематическую передачу контуров для схем лесоустройства. Такая схема не может быть привязана к снимкам с требуемой точностью, что дает в итоге погрешности положения большинства контуров, сопоставимые с их размерами. Это делает возможным применение спутниковых снимков для оценки измененности растительного покрова только после длительной обработки таксационной схемы в ручном режиме с корректировкой контуров в соответствии с потребностями масштаба оценки изменений. Возможно использование спутниковых снимков для анализа ярко выраженных изменений растительности и элементов ландшафта на крупных участках (например, пересыхание и зарастание озерной группы Лебяжьих озер). В то же время, использование снимков данного разрешения при уровне пространственной точности таксационной схемы для выявления изменения растительного покрова отдельных небольших контуров представляется нецелесообразным.

Список литературы

Опубликованные источники Арманд А. Д., Кайданова О. В. Ландшафтные триггеры // Изв. РАН. Сер. геогр. 1999. — № 3 — С. 22 — 28.

Биогеография Г. М. Абдурахманов, Д. А. Криволуцкий, Е.

Г. Мяло, Г. Н. Огуреева. Серия: Высшее образование. М.: Академия, 2003. 480 с.

Воробьева А. А. Дистанционное зондирование Земли. Учебно-методическое пособие. — СПБ.: СПбУ ИТМО, 2012. — 168 с.

Кравцова В. И. Космические методы исследования почв. М.: Аспект Пресс, 2005. — 190 с.

Симонов Д. П. Анализ методов выделения типов растительных покровов по многозональным космическим снимкам // Интер

Экспо Гео-Сибирь. № 4, 2012.

Депонированные источники Проект организации и ведения лесного хозяйства лесопарка «Лебяжье». Том 1. Пояснительная записка. М. З. Гимадутдинов. ФГУП «Поволжский лесопроект». Казанская лесоустроительная экспедиция. Казань, 2002;2003гг. — 101с.

Интернет-источники:

Вегетационные индексы. Основы, формулы, практическое использование // Сайт «MapExpert» [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://mapexpert.com.ua/index_ru.php?id=20&table=news.

Костикова. А. Интерпретация комбинаций каналов данных Landsat TM / ETM+// Сайт GIS-LAB [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://gis-lab.info/qa/landsat-bandcomb.html#7−3-1.

Титаренко К. К. Слияние мультиспектральных изображений в дистанционном зондировании // Сайт Донецкого национального технического университета [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2011/fknt/titarenko/library/image_fusion.htm.