Оценка возможностей аэрокосмического зондирования состояния естественной степной растительности МНР с помощью бортовых информационно-измерительных комплексов

Регулярные исследования околоземного космического пространства, начатые с конца пятидесятых годов, приобретают в последние десятилетия все большую практическую направленность. Одной из наиболее актуальных областей таких исследований является изучение природных ресурсов Земли (ИПРЗ) с космических аппаратов и самолетов-лабораторий с использованием метода дистанционного зондирования (ДЗ) в интересах таких отраслей науки и народного хозяйства как геология, сельское, лесное и водное хозяйство, океанология, озфана окружающей среды и многих других. В частности, в сельском хозяйстве материалы космических съемок Земли, выполняемых с помощью бортовой фотографической и сканерной аппаратуры, позволяют успешно следить за ходом полевых работ и фитосанитарным состоянием посевов, прогнозировать их урожайность и т. п.

Решение задач сельского хозяйства, основанное на использовании методов и средств ДЗ, особенно важно для такой страны, как МНР, обладающей значительной по площади территорией, специфическими природными условиями, относительно низкой плотностью населения и специализацией аграрного цроизводства в области пастбищного животноводства. Оценка цродуктивности и интенсивности использования пастбищ по данным аэрокосмической съемки необходима для оперативного планирования различного рода хозяйственных мероприятий в животноводстве.

Однако в этом нацравлении в МНР сделаны пока еще только первые шаги, носящие характер экспериментальных исследований. Ускоренному развитию этих работ, помимо чисто технических причин^ препятствует также отсутствие необходимого методического обеспечения и строгого обоснования возможностей методов ДЗ (в том числе и предельных) в определении состояния и динамики использования пастбищных угодий.

Корректное решение этой проблемы предполагает рассмотрение целого комплекса методических вопросов, составляющих предмет настоящей диссертационной работы. Это прежде всего изучение характеристик самого зондируемого объекта, влияния условий съемки, формирования коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) степной растительности и их связи с параметрами состояв ния последней, а также разработка алгоритмов обработки данных спектрометрических, фотографических и сканерных съемок, определение потенциальной точности оценки состояния объекта и оптимизация параметров аппаратуры бортовых информационно-измерительных комплексов ДЗ. Особо следует вьщелить принципиально новые вопросы статистической оценки состояния зондируемых природных объектов с учетом их цространственной изменчивости, как в пределах элемента разрешения бортовых приборов на местности, так и между самими элементами, а также отличия этой процедуры от достаточно-шроко используемых алгоритмов классификации. Исследование возможности таких оценок, также как и их практическая реализация должны базироваться на использовании разнотипной информации, поставляемой комплексом бортовых приборов ДЗ, адекватным решаемой многопараметрической задаче. Примерами их могут служить комплексы, устанавливаемые на станциях типа «Салют», включающие такие приборы как МШ—6М, МКС-М и «Спектр-15М» .

Выполнение сформулированных выше методических работ и исследований позволит дать количественное описание функционирования всего информационно-измерительного тракта ДЗ на примере пастбищной растительности МНР.

Актуальность проблемы. В семидесятые годы интерес исследователей, разрабатывавших принципы обработки и использования данных дистанционного аэрокосмического зондирования Земли, был сосредоточен в основном на совершенствовании методов автоматической классификации природных объектов, на многозональных аэрокосмических изображениях. Используемые для этих целей математические алгоритмы базировались на стандартных методах распознавания образов или, эквивалентно, методах проверки статистических гипотез с применением простых регрессионных моделей. Опыт, накопленный исследователями в последние годы, показал, что улучшение результатов классификации, выполняемой с помощью указанных алгоритмов, имеет довольно жесткие пределы, а 1фуг потребителей аэрокосмической информации весьма ограничен.

Кроме того, в настоящее время все более важной задачей дистанционного зондирования (ДЗ) становится задача оценки состояния природных и антропогенных объектов по данным бортовых информационно-измерительных комплексов, устанавливаемых на аэрокосмических носителях. Попытки ее решения методами проверки статистических гипотез с использованием регрессионных методов оказались неэффективными, пригодными в лучшем случае для какого-либо конфетного весьма ограниченного региона. Это связано с эффектом шшйшшг. функции распределения флюктуаций состояния зондируемых объектов, а также непостоянством регрессионных зависимостей между значениями коэффициента спектральной яркости (КСЯ) объектов и их предметно-специфических характеристик (ПСХ) цри переходе с одного участка измерений на другие, достаточно от него удаленные.

В связи с этим рассматриваемые в диссертационной работе воцросы оптимизации методов и технических средств решения задач классификации и оценки состояния природных и антропогенных объектов, исследования характеристик основных элементов информационного тракта дистанционного зондирования, установления инвариантных функций связи спектральных и предметно-специфических характеристик зондируемых объектов на примере пастбищной степной растительности, а также определения предельных точностей решения указанных выше задач делают ее тематику актуальной, имеющей большое црактическое значение.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование возможностей информационно-измерительных систем, используемых в дистанционном зондировании Земли, для решения задач классификации и оценки состояния цриродных объектов, оптимизации алгоритмов обработки аэрокосмической видеоинформации в таких системах и определения цредельных точностей оценки состояния объектов.

В соответствии с сформулированной целью исследования в работе ставились и решались следующие задачи:

1. Проведение экспериментов по сбору обучающих данных о связи спектральных свойств и состояния выбранных природных объектов (ими были степные растительные сообщества МНР, имеющие важное народнохозяйственное значение).

2. Исследование возможности извлечения из этих данных устойчивой и надежной информации об аналитической форме функции связи параметров состояния зондируемых объектов с их яркостью (ФСЯ).

3. Определение на основе поведения ФСЯ сравнительной информативности ДЗ при разных условиях съемки, состояния объектов и т. п.

4. Оценка ожидаемой точности (информативности) решения обратных задач ДЗ и ее зависимости от различных факторов, влияющих на спектральные свойства объекта.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые доказана необходимость использования набора функций связи состояния зондируемого объекта с его спектральной яркостью (ФСЯ) в качестве основного массива априорной информации («банка данных» объекта).

2. Показана возможность получения надежной информации о ФСЯ из данных эксперимента при изменяющихся условиях съемки и воздействии мешающих факторов.

3. Впервые разработана и апробирована методика экспериментального определения ФСЯ, изучения статистических характеристик пастбищной степной растительности, оценки влияния условий измерений и сопутствующих мешающих факторов.

4. Разработаны методы решения прямых и обратных задач дистанционного зондирования и оптимизации параметров информационно-измерительных систем, продемонстрированные на примере изучения пастбищной степной растительности МНР.

5. Выполнены расчеты информации Фишера, как показателя ожидаемой точности и информативности данных дистанционного зондирования.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

1. Методика полигонного эксперимента и обработки его данных с целью определения ФСЯ.

2. Доказательство возможности устойчивого определения ФСЯ по 1файней мере относительно одной интересующей потребителя переменной — полной фитомассы.

3. Теоретическое обоснование видовой специфики ФСЯ зондируемого объекта и её достаточности для решения обратной задачи ДЗ.

4. Методика имитации решения обратных задач ДЗ на основе ФСЯ с оценкой результатов по информации Фишера, а также рекомендации по созданию алгоритмов решения таких задач.

5. Результаты анализа перспективности использования ДЗ в определении различных характеристик состояния природных объектов и диапазонов их изменения, а также рекомендации по выбору спектральных каналов бортовых многозональных съёмочных систем.

Диссертационная работа выполнялась автором в лаборатории методов: ¦. интерпретации аэрокосмической информации о Земле Института космических исследований АН СССР и была включена в план работ лаборатории. Автор выражает глубокую благодарность всем сотрудникам этой лаборатории, в особенности своему научному руководителю кандидату технических наук Егорову В.В.$г младшему научному сотруднику Балтеру Б. М. за постоянную помощь в работе. Кроме того, автор считает своим долгом выразить признательность всем коллегам из различных научных организаций МНР, принимавшим участие в 1982;1983 гг. в полигонных экспериментах.

I — 10 — '.

Выводы.

1. По данным полигонного эксперимента и полученной в нем ФСЯ возможно оценивание биомассы степной растительности с точ ностьго.10−15 ц/га, а фазы вегетации — с точностью до 2−3. дней.

2. Для оценки различных характеристик состояния зондируемого объекта оптимальны различные спектральные каналы. Например, для биомассы — это зоны вблизи 0,45 и 0,65 мкм, а для проективного покрытия — вблизи 0,66 мкм и 0,75 мкм. С. ростом числа учитываемых переменных состояния преимущество одних каналов перед другими сглаживается. Изменение биомассы зондируемого объекта может резко изменить качество используемых спектральных каналов в смысле их оптимальности.

3. Оценивание состояния более густых растительных сообществ имеет меньшую точность.

4. Ошибка определения ФСЯ в настоящее время примерно на порядок хуже, чем требуется для решения обратных задач ДЗ с точностью, близкой к потенциально возможной.

5. Методика имитации решения обратных задач ДЗ позволяет определить спектральный ход потенциальной точности оценки" состояния, объекта, согласующийся с результатами корреляционного анализа, что подтверждает ее правильность. При этом установлено, что а) в зависимости от условий съёмки и состояния зонди-. руемого объекта зависимость точности от разрешения-на местности имеет не монотонный характерб) учет старших моментов наблюдений повышает точность при не слишком малых п — в) насыщение роста точности с увеличением числа спектральных каналов происходит медленнее, чем в задачах классификации.

Заключение

.

X.Разработаны методы анализа и выполнено математическое моделирование процесса прохождения полезной информации, т. е. данных о параметрах состояния природных объектов, через информационно-измерительный тракт. С этой целью определены параметры состояния пастбищной растительности, оказывающие основное влияние на ее яркость, оценено влияние флуктуаций состоя ния объекта, условий съемки (высота Солнца, дата съемки) — црог веден расчет и исследование функций связи яркости объекта с его состоянием, учет влияния внутренних и внешних помех на процесс прохождения информации от объекта исследования до потребителя.

2. Разработана и практически проверена методика полигонных экспериментов по синхронному измерению характеристик радиации и состояния растительных объектов и обработки получаемых данных, позволяющая выполнять указанные эксперименты при изменяющемся во времени суток и в ходе цикла вегетации объекта коэффициенте спектральной яркости и корректировать влияние этих и других мешающих факторов на ФСЯ. Доказана возможность устойчивого определения ФСЯ естественной степной растительности в экспериментах подобного типа.

3. Показано, что единственными характеристиками пастбищной растительности, поддающимися дистанционному зондированию при возможной на данном этапе точности определения ФСЯ, являются объем биомассы^приходящейся на единицу площади, и (в меньшей степени) цроективное покрытие почвы растительностью. Построенные в диссертации аппроксимации для ФСЯ позволяют различить по дистанционным данным 2−3 градации биомассы, что соответствует точности ее определения 10−15 ц/га. Показано, что из трех типов исследованных степных растительных сообществ (байкало-ковыльная, луговая и петрофитная степи) первые две неразличимы по дистанционным данным при условии равной биомассы на единицу площади, последнюю же можно отличить от первых двух с высокой степенью надежности.

4. Обоснована необходимость охвата в ходе экспериментов рассматриваемого типа как можно более широкого диапазона вариаций как характеристик состояния самих объектов, так и мешающих факторов, что связано с низкой экстраполирующей способностью ФСЯ.

5. Показано, что в рассматриваемом в работе спектральном диапазоне (0,4−0,8 мкм) наблюдается весьма устойчивое преимущество одних спектральных интервалов над другими для дистанционного зондирования тех или иных характеристик растительност! В частности, для определения биомассы рекомендуются использовать следующие спектральные интервалы бортовых устройств, входящих в состав информационно-измерительных систем: 0,45−0,47- 0,62−0,67- 0,75−0,8 мкм.

6. Исследована зависимость ожидаемой точности решения обратных задач дистанционного зондирования различных характеристик состояния степной растительности от значений самих этих характеристик, условий и методов съемки и т. д. На этой основе даны рекомендации по оптимизации методов дистанционного зондирования исследованных объектов в зависимости от того, какая характеристика состояния исследуется, и в каком диапазоне состояний находится объект. В частности, определено оптимальное числ< спектральных каналов и оптимальное пространственное разрешение бортовых средств информационно-измерительной системы как функция указанных факторов.

— 153.

7. Впервые реализован алгоритм решения обратной задачи дистанционного зондирования, учитывающий флуктуации состояния объекта в элементе разрешения, и на основе данных, полученных в эксперименте, исследованы характеристики этого алгоритма и даны рекомендации по его оптимизации применительно к к определению состояния пастбищной растительности МНР.