Оценка и картографирование повреждений лесов по данным дистанционного зондирования и геоинформационной системы

Леса России занимают 22% лесного покрова всей планеты и входят в бореальную зону северного полушария Земли. Это уникальная природная экосистема, имеющая глобальное биосферное, социальное и ресурсное значение. Состояние лесов, их продуктивность тесным образом связана с деятельностью человека и отражается на жизнеспособности и развитии человеческого общества в целом.

В результате воздействия антропогенных и природных факторов лес постоянно претерпевает изменения, некоторые из которых приводят к серьезным нарушениям структуры лесных биогеоценозов.

Все происходящие в лесах изменения условно можно разделить на четыре группы: изменения, вызванные естественными биологическими и климатическими процессами: изменение границ ареалов лесной растительности, изменение характеристик древесно-кустарниковой растительности, трансформация одних категорий лесных и не лесных земель в другиеизменения вызванные антропогенной деятельностью: рубка и восстановление лесов, осушение, уход за лесом, строительство промышленных, жилых объектов и систем коммуникацийизменения, вызванные лесными пожарами, причины которых бывают естественными (грозы, возгорание торфа, солнечная активность) и антропогенные. Изменения данной группы присущи всем лесам, но чаще проявляются в таежной зоне. изменения, вызванные неблагоприятными стихийными биологическими явлениями: повреждения насекомыми-вредителями, грибными болезнями, ветровалы, буреломы.

Наиболее опасными для окружающей среды являются бесконтрольная деятельность человека, лесные пожары, биологическая активность насеко6 мых-вредителей и некоторые другие факторы. Деление внешних факторов на естественные и антропогенные условно, так как они взаимосвязаны, а иногда взаимообусловлены. Так, например, вспышка биологической активности различных видов насекомых-вредителей приводит к усыханию и смерти лесных насаждений на обширных территориях, что является причиной для возникновения лесных пожаров (естественным путем или посредством антропогенной деятельности), которые уже, в свою очередь, уничтожают не только мертвую древесину, но и частично поврежденную, а также напочвенный покров.

В России, с ее огромными лесными территориями, уделяется большое внимание проблеме мониторинга лесов, т. е. их изучению, контролю за состоянием и использованием. Составной частью мониторинга лесов является слежение за их санитарно-патологическим состоянием. Из всей совокупности проблем, определяющих санитарно-патологическое состояние лесов, в диссертации уделяется внимание повреждениям, связанным с промышленными выбросами и воздействием насекомых-вредителей.

Традиционные методы слежения за санитарно-патологическим состоянием лесов, опирающиеся преимущественно на наземные методы и визуальное дешифрирование аэрофотоснимков, перестали удовлетворять современным требованиям мониторинга лесов и управления их развитием.

Развитие космических средств дистанционного зондирования (ДЗ) Земли, способных получать информацию о лесах в широком диапазоне длин волн электромагнитного спектра от видимых до сверхвысокочастотных, а также развитие компьютерных средств и ГИС-технологий позволяют разрабатывать принципиально новые методы оценки состояния лесов.

Цель работы. Основной целью работы является исследование и разработка метода оценки и картографирования повреждений лесов с использованием данных дистанционного зондирования и ГИС-технологии. 7.

Объект исследований. Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение системы обработки космической информации для оценки повреждений лесов насекомыми-вредителями.

Методы исследований. В работе использованы методы спектрометриро-вания, цифровой обработки изображений и распознавания образов, математической статистики, цифровой картографии и геоинформатики.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертации заключается в получении следующих результатов: получены значимые оценки корреляции спектральных признаков и показателей состояния деревьев (возраст побегов и их ориентация относительно сторон света, степень повреждения и др.), а также содержания в хвое основных пигментов (хлорофиллов, А и В, каротиноидов) — разработан алгоритм анализа космических изображений, сочетающий методы классификации и линейную модель разделения спектральных смесейразработан метод оценки степени дефолиации лесов, поврежденных насекомыми-вредителями, с использованием данных космической съемки и геоинформационной системы.

Практическая значимость и внедрение.

Разработанная методика распознавания классов повреждения хвойных пород на основе различных спектральных признаков использовалась для изучения экологической обстановки в лесных массивах Тимирязевской сельхозакадемии (г. Москва), произрастающих в условиях городской среды и на территории Истринского лесхоза Московской области, подверженных воздействию промышленных выбросов.

Метод оценки дефолиации лесов, разработанный в диссертации на основе алгоритмов автоматизированной обработки космических изображений, был использован для экспертной оценки последствий массового размножения сибирского шелкопряда в темнохвойных лесах Красноярского края, 8 проводимой в рамках проекта управления окружающей средой Российской Федерации, учрежденного Всемирным банком (Loan 3806-RU) и чрезвычайной программы контроля биологических вредителей в лесах Красноярского края.

Использование метода количественной оценки степени дефолиации лесов по данным космической многозональной съемки позволяет: объективизировать процесс и и повысить достоверность получения оценок повреждений лесного покрова за счет использования космических снимков и лесотаксационных данных в среде ГИСсократить объемы выполнения аэрофотосъемочных работ за счет использования данных космической съемки и ГИС-технологииболее точно планировать и эффективно проводить мероприятия по борьбе с насекомыми-вредителями.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе, 3 статьи .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, а также включает 28 рисунков и 14 таблиц.

Выводы к IV главе.

В результате экспериментальных работ получены следующие основные результаты: собраны исходные лесотаксационные и картографические данные для формирования баз данных геоинформационной системы тестового участкасформирован банк данных геоинформационной системы, включающий картографическую растрово-векторную основу масштаба 1:100,000, совмещенную картографическую и таксационную базу данных о лесном фонде, цифровые карты поврежденности лесов и карты проведения лесозащитных мероприятийразработана методика оценки дефолиации лесных насаждений по спутниковым изображениям на основе алгоритмов, сочетающих методы традиционной классификации и метод декомпозиции спектральных смесей;

• проведено сравнение двух способов выделения тематических классов различных типов лесных участков;

• выполнена оценка разделимости спектральных сигнатур тематических классов с целью формирования чистых компонентов;

Рис. 4.9. Фрагмент карты поврежденности лесов по результатам обработки спутниковых данных.

114 выполнена предварительная и тематическая обработка спутниковых изображений SPOT, по результатам которой получены оценки степени дефолиации темнохвойных насаждений и построены карты повре-жденности лесов тестового участка-. проведена верификация результатов оценки степени дефолиации темнохвойных насаждений по спутниковым изображениям и сделаны выводы об эффективности их использования для картографирования повреждений лесовВыполненный анализ спутниковых изображений SPOT позволяет сделать следующие выводы: спутниковые изображения дают принципиальную возможность иден-тифицикации участков различной степени повреждений лесов сибирским шелкопрядом-. на качественном уровне в большинстве случаев достигается хорошая согласованность пространственного расположения участков с максимальными повреждениями с картографическими данными, полученными в результате дешифрирования аэрофотоснимков-. анализ, выделенных с использованием геоинформационной системы по спутниковым изображениям, спектральных сигнатур различных типов лесных участков показывает возможность распознавания насаждений с преобладанием темнохвойных, светлохвойных и лиственных пород, открытых участков почвы и напочвенного покрова, а также насаждений с различной степенью повреждения шелкопрядом-. предложенная и экспериментально апробированная методика оценки по спутниковым изображениям степени дефолиации поврежденных шелкопрядом насаждений с использованием линейной модели спектральных смесей показала достаточно высокий уровень корреляции с результатами дешифрирования аэрофотоснимков.

Заключение

.

Возрастающее понимание важности экологической лесов привлекает все большее внимание к проблеме их рационального использования, охраны и воспроизводства. Для решения этих задач требуется совершенствование методов получения информации о лесах. Традиционные методы слежения за санитарно-патологическим состоянием лесов не в полной мере способны предоставлять полноценную информацию для принятия последующих эффективных решений. Для улучшение этих методов необходимо применение более совершенных видов съемок и автоматизированных способов их обработки.

В настоящей работе проведены исследования повреждений лесов, связанные с промышленными выбросами и насекомыми-вредителями и получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ и систематизация мирового опыта применения данных наземного спектрометрирования и дистанционного зондирования для оценки санитарно-патологического состояния лесов.

2. Проведен анализ требований к информационному обеспечению и структуре ГИС, необходимому для оценки состояния лесов с использованием данных дистанционного зондирования.

3. Выполнен анализ морфологии спектральных кривых зеленых побегов хвойных насаждений различного состояния с помощью спектральных признаков на ранних стадиях повреждения промышленными выбросами и получены значимые коэффициенты корреляции между спектральными признаками и классами повреждений.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы подпиксельного анализа космических изображений, сочетающие методы классификации и линейную модель разделения спектральных смесей.

5. Разработан метод оценки степени дефолиации лесов, поврежденных насекомыми-вредителями с использованием данных сканерной съемки и геоинформационной системы.

По результатам исследований можно сделать ряд выводов.

Ранние изменения в состоянии древесных растений могут регистрироваться спектрометрами высокого разрешения (типа «Кварц-4»), а с помощью набора спектральных признаков можно получать качественную и количественную оценку этого состояния.

Исследования отраженного излучения вдоль вертикального градиента крон деревьев позволили получить всестороннее представление об этом процессе, а полученные знания применить для анализа космических многоспектральных снимков с изображениями хвойных лесов различной степени повреждения.

Полученные результаты экспериментальных работ показали достаточно высокую линейную корреляционную связь степени дефолиации со степенью усыхания (11=0,9), что свидетельствует о возможности применения метода для оценки поврежденности лесов с использованием сканерной космической информации.

Использование метода количественной оценки степени дефолиации лесов по данным космической многозональной съемки позволяет: объективизировать процесс и повысить достоверность получения оценок повреждений лесного покрова за счет использования космических снимков и лесотаксационных данных в среде ГИСсократить объемы выполнения аэрофотосъемочных работ благодаря ря рациональному сочетанию аэрофотоснимков с данными космической съемки и ГИС-технологийболее точно планировать и эффективно проводить мероприятия по борьбе с насекомыми-вредителями.