Разработка и исследование технологии мониторинга динамики лесных экосистем по материалам дистанционного зондирования

Актуальность темы

Леса являются важнейшим компонентом биосферы, продуцентом биомассы и кислорода. Они играют огромную роль как стабилизатор природной среды. По потенциалу биологической продуктивности лесам принадлежит ведущее место на Земле. Накопленные запасы древесины в России составляют 25% от их мирового количества. Воздействие на лес неблагоприятных экологических факторов приводит к снижению его продуктивности и гибели. К числу таких факторов относятся лесные пожары, насекомые-вредители, антропогенные нарушения, связанные с промышленными выбросами загрязняющих веществ, разработкой нефтяных месторождений, и т. д. Масштабы этих явлений носят глобальный характер и вызывают необходимость тщательного изучения динамики лесных экосистем.

Для обширных лесных территорий России, расположенных в различных климатических поясах и имеющих различный породный состав, наиболее эффективным является мониторинг с использованием многозональных космических снимков. Для оперативной обработки материалов многозональной съёмки в целях мониторинга лесного фонда возникает необходимость использования автоматизированных методов дешифрирования. Исследованию вопросов автоматического дешифрирования многозональных космических снимков посвящено большое количество работ Котцова В. А., Фивенского Ю. И., Мелешко К. Е., Бадаева В. В., Журкина И. Г., Гука А. П., Пяткина В. П., Козодёрова В. В., Мишина И. В., Харука В. И. и др. В связи со сложностью распознавания на снимках лесных массивов различного типа и состояния в технологиях дешифрирования значительное место занимают полевые обследования, что снижает оперативность мониторинга, поэтому актуальной является разработка методики повышения качества автоматизированного дешифрирования снимков, позволяющей уменьшить объём трудоёмких полевых работ.

В существующих технологиях мониторинга, в основном предусматривающих анализ текущего состояния лесных экосистем, недостаточная роль отводится разработке методов прогнозирования их изменения в будущем с целью планирования лесозащитных мероприятий. Учитывая, что вспышки размножения насекомых-вредителей носят регулярный характер и имеют значительную продолжительность, существует возможность выполнять моделирование динамики численности популяции с целью предотвращения повреждений лесов. Однако существующие прогнозные модели популяций лесных насекомых часто являются обособленными и не всегда учитывают влияние соседних биотопов на распространение насекомых, что ограничивает возможность моделирования динамики распространения вспышки их массового размножения. Данные дистанционного зондирования о состоянии лесных массивов открывают новые возможности для построения пространственно-распределённых моделей популяций.

Поэтому актуальной является разработка технологии мониторинга динамики лесных экосистем, основанной на применении современных материалов аэрокосмической съёмки, методик автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков и пространственно-распределённых математических моделей популяций, построенных с использованием данных дистанционного зондирования.

Степень разработанности проблемы. В существующих технологиях тематического картографирования основным источником информации о лесных территориях являются цветные и спектрозональные аэроснимки. В настоящее время развитие технических средств, высокая периодичность, оперативность и доступность данных дистанционного зондирования дают возможность проведения мониторинга лесных экосистем на основе многозональных космических снимков. Однако эффективность использования данных дистанционного зондирования сдерживается отсутствием надёжных методик автоматизированного дешифрирования снимков. Существующие технологии мониторинга лесных территорий направлены на обнаружение и картографирование результатов воздействия негативных факторов, но не предусматривают моделирования биологических процессов в лесных экосистемах, что существенно снижает эффективность исследования состояния лесов.

Целью диссертационной работы является разработка технологии аэрокосмического мониторинга динамики лесных экосистем с использованием методик автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков для повышения достоверности и оперативности распознавания объектов, а также моделирования динамики численности популяции сибирского шелкопряда для оценки и прогнозирования состояния лесных насаждений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

— выполнить анализ современных средств и методов получения и обработки аэрокосмической информации для мониторинга динамики лесных территорий;

— разработать и исследовать технологию мониторинга динамики лесных экосистем, основанную на использовании материалов аэрокосмических съёмок, цифровых методов обработки снимков, ГИС-технологий, математического моделирования биологических процессов в экосистемах;

— разработать алгоритм моделирования процесса формирования изображения съёмочной системой в разных ландшафтных зонах для априорной оценки достоверности дешифрирования, определения наиболее оптимальных комбинаций каналов съёмочных систем и методов классификации объектов;

— разработать методики автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков труднодоступных лесных территорий для повышения достоверности получаемых результатов и уменьшения трудоёмкости формирования обучающих эталонов полевыми методами;

— разработать пространственно-распределённую модель популяции сибирского шелкопряда, отражающую особенности жизненного цикла насекомых в период массового размножения с целью прогнозирования развития вспышки, и методику определения параметров модели на основе материалов аэрокосмических съёмок.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является мониторинг лесных экосистем, предметом — технология мониторинга лесных экосистем с использованием материалов дистанционного зондирования.

Теоретическая н методологическая база исследования. Теоретической и методологической основой работы являются теория и методы аналитической и цифровой фотограмметрии, математического моделирования, вычислительной математики, математической обработки измерений, алгоритмы цифровой обработки изображений и современные ГИС-технологии. В качестве программного обеспечения использовались: геоинформационные системы ERDAS.

IMAGINE, ArcGIS, Maplnfo, интегрированная среда разработки приложений Delphi 7, растровый редактор Adobe Photoshop.

Информационная база исследования. Диссертационная работа выполнена с использованием аэрофотои космических снимков лесных территорий Новосибирской области, Алтайского и Красноярского края, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого АО, картографических материалов и результатов наземного обследования соответствующих территорий.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— разработана технология мониторинга динамики лесных экосистем, основанная на использовании материалов аэрокосмической съёмки, цифровых методов обработки изображений, автоматизированных методов дешифрирования, ГИС-технологий и математического моделирования биологических процессов в экосистемах;

— разработан алгоритм моделирования процесса формирования изображения конкретной съёмочной системой в разных ландшафтных зонах для априорной оценки достоверности дешифрирования, определения наиболее оптимальных комбинаций каналов съёмочных систем и методов классификации объектов на снимках;

— разработаны методики автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков, основанные на преобразовании параметров эталонов для дешифрирования серии снимков и на формировании эталонов по коэффициентам спектральной яркости объектов;

— разработана методика автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков для определения породного состава и полноты лесных выделов;

— разработаны пространственно-распределённая модель популяции сибирского шелкопряда и методика определения её параметров на основе результатов дешифрирования аэрои космических снимков и картографических материалов.

На защиту выносятся:

— технологическая схема мониторинга динамики лесных экосистем, основанная на использовании данных дистанционного зондирования, цифровых методов обработки изображений и методов математического моделирования биологических процессов в экосистемах;

— алгоритм моделирования процесса формирования изображения конкретной съёмочной системой в разных ландшафтных зонах для априорной оценки достоверности дешифрирования;

— методики автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков, основанные на преобразовании параметров эталонов для дешифрирования серии снимков и на формировании эталонов по коэффициентам спектральной яркости объектов;

— методика определения таксационных характеристик лесных насаждений с использованием автоматизированного дешифрирования космических снимков;

— пространственно-распределённая модель популяции сибирского шелкопряда и методика определения её параметров с использованием данных дистанционного зондирования.

Теоретическая значимость. Теоретическое значение диссертации заключается в разработке методик автоматизированного дешифрирования космических снимков, позволяющих сократить объём полевых работ по созданию эталонов и определять таксационные характеристики лесонасаждений, в разработке алгоритма моделирования процесса формирования изображения съёмочной системой для априорной оценки результатов дешифрирования, точечной и пространственно-распределённой моделей популяции сибирского шелкопряда с использованием данных дистанционного зондирования.

Практическая значимость. Результаты экспериментальных работ, выполненных с использованием реальных аэрои космических снимков, доказывают возможность использования разработанной технологии для оценки текущего состояния лесных территорий и моделирования вспышек массового размножения насекомых-вредителей.

Разработанные алгоритм моделирования процесса формирования изображения и методики автоматизированного дешифрирования аэрои космических снимков реализованы в программных продуктах, которые позволяют формировать наборы эталонов и выработать рекомендации по выбору типа съёмочной системы, оптимальных комбинаций съёмочных каналов, методов классификации для повышения достоверности распознавания объектов.

Использование точечной и пространственно-распределённой моделей популяции сибирского шелкопряда даёт возможность прогнозировать развитие вспышки размножения лесных насекомых, планировать лесозащитные мероприятия в лесном хозяйстве и сократить объём и периодичность наблюдений за состоянием труднодоступных лесных территорий.

Реализация результатов работы.

Основные положения, методики и алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, реализованы в программах, предназначенных для моделирования процесса формирования изображения съёмочными системами для априорной оценки результатов дешифрирования и формирования эталонов по коэффициентам спектральной яркости объектов, а также для построения моделей динамики численности популяции сибирского шелкопряда с использованием результатов дешифрирования аэрои космических снимков лесных территорий. Результаты исследований внедрены в ФГУП «Запсиблеспроект» г. Новосибирска и в учебный процесс кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГТА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и практические результаты работы были представлены: на научно-технических конференциях студентов СГТА в 1999, 2000 гг., на новосибирских межвузовских научных студенческих конференциях «Интеллектуальный потенциал Сибири» в 2000 г., 2002 -2003 гг., на научно-технической конференции преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики» (г. Новосибирск, 16−19 апреля 2001 г.), на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», посвященной 70-летию СГТА (г. Новосибирск, 11 -21 марта 2003 г.), на научно-практической конференции «Перспективы развития системы мониторинга и прогнозирования ЧС природного и техногенного характера» (г. Новосибирск, 24 сентября 2003 г.), на научно-технической конференции «Фотограмметрические технологии в XXI веке», посвящённой 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА (г. Новосибирск, 9−11 декабря 2003 г.), на научно-технической конференции, посвящённой 225-летию геодезического образования в России (г. Новосибирск,.

19−23 апреля 2004 г.), на научно-практической конференции «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий — устойчивое развитие Сибирского региона» (Новосибирск, 15 сентября 2004 г.), на Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь-2005» (Новосибирск, 25 — 29 апреля 2005 г.) и «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск, 24 — 28 апреля 2006 г.), на VIII научной конференции по тематической картографии «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития» (г. Иркутск, 21 -23 ноября 2006 г.), на Международной выставке, посвященной 70-летию СГГА (г. Новосибирск, 12−13 марта 2003 г.), на выставке, посвящённой 225-летию геодезического образования в России (г. Новосибирск, 20 апреля 2004 г.).

Публикации (по теме диссертации). По теме диссертации опубликовано 20 научных работ (7 — в соавторстве).

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 155 наименований (из них 22 — на иностранном языке). Общий объём работы составляет 194 страницы (объём основного текста — 148 страниц), 11 приложений, 14 таблиц, 43 рисунка.

На основе выполненных экспериментов можно сделать следующие выводы:

• результаты исследований позволили определить область значений параметров пространственно-распределённой модели популяции сибирского шелкопряда: от 7 до 10 км для дистанции миграции энтомофагов, от 0 до 1 для степени влияния ЭОС и коэффициент влияния модифицирующих факторов, равный пяти. В этом интервале значений поведение пространственно-распределённой модели сохраняет особенности, присущие популяциям сибирского шелкопряда в тёмнохвойной тайге Восточной Сибири;

• выявленный в результате моделирования ареал распространения насекомых на 70% соответствует имеющимся картографическим данным о степени повреждения лесов сибирским шелкопрядом в Усольском лесхозе (1995 г.);

• достоверность определения ареалов распространения сибирского шелкопряда зависит от актуальности информации о породном составе древостоев и ландшафтных характеристиках местности, полученной на основе результатов автоматизированного дешифрирования космических снимков лесных территорий и картографических материалов;

• при наличии более детальной информации о динамике популяции сибирского шелкопряда возможно уточнение параметров пространственно-распределённой модели и технологии её формирования.

Разработанная модель может быть использована:

• при решении практических задач (прогнозирование развития вспышки массового размножения сибирского шелкопряда, определение ущерба, нанесённого насаждениям, планирование лесозащитных мероприятий);

• для изучения динамики популяции сибирского шелкопряда и построения новых моделей популяции.

Комплексное применение пространственно-распределённой модели, данных дистанционного зондирования и картографических материалов позволит выполнять краткосрочное прогнозирование динамики численности насекомых-вредителей, а также детально изучить характер миграционных процессов в различные фазы вспышки массового размножения, что позволяет сократить объём и периодичность наблюдений за состоянием лесных массивов.

Результатом диссертационной работы является следующее:

• на основе анализа существующих средств получения и методов обработки материалов аэрои космических съёмок, методов моделирования динамики лесных экосистем сформулированы требования к технологии мониторинга лесных территорий. Приведены рекомендации по выбору технических средств для съёмки лесных территорий, поврежденных пожарами, разливами нефти, насекомыми-вредителями и дешифрированию снимков лесных территорий;

• разработана технология мониторинга динамики лесных экосистем с использованием материалов аэрои космической съёмки, цифровых методов обработки изображений, ГИС-технологий и математического моделирования биологических процессов, протекающих в экосистемах. Разработанная технология может использоваться при проведении оперативного мониторинга труднодоступных обширных лесных территорий, а также создания актуальных лесоустроительных карт;

• разработан и программно реализован алгоритм моделирования процесса формирования изображения конкретной съёмочной системой в разных ландшафтных зонах, позволяющий имитировать изменение КСЯ различных объектов. Алгоритм предназначен для априорной оценки достоверности дешифрирования снимков, определения наиболее оптимальных комбинаций каналов съёмочных систем и методов классификации объектов на снимках на этапе проектирования мониторинга;

• разработаны методики автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков, основанные на преобразовании параметров эталонов для дешифрирования серии снимков и на формировании эталонов по КСЯ объектов. Разработанные методики позволяют уменьшить трудоёмкость формирования обучающих эталонов полевыми методами, повысить достоверность распознавания объектов на снимках, полученных в разных условиях;

• разработана методика автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков для определения таксационных характеристик лесных насаждений. Предложенная методика обеспечивает определение коэф;

фициентов породного состава и полноты древостоя в соответствии с требованиями инвентаризации низкобонитетных лесов;

• с использованием разработанной технологии мониторинга и методик дешифрирования снимков созданы карты нарушения пожарами лесных территорий Новосибирской области и Алтайского края, Сытоминского лесничества Сургутского лесхоза, Лянторского нефтяного месторождения Сургутского района, а также карта повреждения сибирским шелкопрядом лесов Усольского лесхоза Красноярского края, выполнена оценка точности созданных карт;

• разработаны и программно реализованы точечная и пространственно-распределённая модели популяции сибирского шелкопряда, отражающие особенности жизненного цикла насекомых в период их массового размножения. Предложена методика определения параметров пространственно-распределённой модели на основе результатов дешифрирования аэрои космических снимков и существующих картографических материалов. Работоспособность модели проверена с использованием картографических данных на территорию Усольского лесхоза Красноярского края. В результате определена область значений параметров модели популяции, в которой её поведение сохраняет особенности, присущие популяциям сибирского шелкопряда в тёмнохвой-ной тайге Восточной Сибири. Применение данной модели позволяет прогнозировать развитие популяции насекомых-вредителей в экосистеме, а также сократить объём и периодичность наблюдений за состоянием лесных массивов;

• разработанные алгоритмы, программы и методики внедрены в производственный процесс ФГУП «Запсиблеспроект» г. Новосибирска и учебный процесс кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА.