Дистанционный мониторинг таежных лесов с использованием ГИС-технологий обработки цифровых и архивных аналоговых аэро и космических изображений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.03.02, кандидат сельскохозяйственных наук Ердяков, Сергей Васильевич

• Ердяков, Сергей Васильевич
• кандидат сельскохозяйственных наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат сельскохозяйственных наук Ердяков, Сергей Васильевич

Введение: Общая характеристика диссертационного исследования

Глава 1 Состояние изученности проблемы

1.1. Краткая характеристика методов устройства лесов России

1.2. Статистические методы инвентаризации лесов

1.3. Дистанционные методы инвентаризации лесов

1.3.1. Обзор космических съемочных систем высокого разреше- 24 ния

1.3.2. Обзор космических съемочных систем среднего разрешения

1.3.3. Нефотографические методы аэросъемки: цифровые АФА

1.3.4. ГИС и ДМ, как средство непрерывной инвентаризации ле- 58 сов и мониторинга за состоянием земель лесного фонда

Глава 2 Объем и характеристика исходных материалов. Программа и ме- 60 тодика исследования.

2.1. Объем и характеристика исходных материалов

2.2. Оценка достоверности и точности дешифрирования различных категорий земель лесного фонда по традиционным (аналоговым) материалам дистанционного зондирования

2.2.1. Признаки и результаты дешифрирования цифровых и ар- 62 хивных цветных спектрозональных аэроснимков масштаба 1:

2.2.2. Дешифрирование насаждений пробных площадей и выделов 63 - эталонов по цифровым и архивным цветным спектрозональным аэроснимкам масштаба 1:

2.2.3. Оценка возможностей дешифрирования молодняков

2.2.4. Оценка достоверности и точности дешифрирования архив- 70 ных космических фотоснимков

2.2.5. Оценка точности дешифрирования таксационных показате- 74 лей пробных площадей по аэрофотоснимкам

2.3. Программа исследования

Глава 3 Основы классификации, дешифрирования и интерпретации мно- 77 госпектральных и гиперспектральных материалов ДЗЗ

3.1. Критерии и методы укрупненной оценки качества изображе- 77 ний в растровых графических форматах

3.1.1. Оценка яркости изображения

3.1.2. Оценка контрастности изображения

3.1.3. Оценка преобладающего тона и тоновой насыщенности

3.1.4. Оценка резкости изображения

3.2. Спектральная яркость объектов ландшафтной оболочки Земли

3.2.1. Особенности фенологического состояния земель лесного 86 фонда

3.2.2. Спектральная яркость полога насаждений основных лесооб- 91 разующих пород и ландшафтов

3.3. Контрастность природных эталонов 100 3.3.1. Оптическая плотность «подложки»: напочвенного покрова и обнаженных хозяйственными воздействиями почв

3.3.2. Оптическая плотность основных лесообразующих пород

3.3.3. Сезонные аспекты изменчивости оптических плотностей 109 земель лесного фонда и насаждений

3.4. Методика и техника использования спектральной яркости для 114 инвентаризации земель лесного фонда и дистанционного мониторинга за состоянием лесных экосистем

3.4.1. Коэффициенты и индексы спектральной яркости

3.4.2. Использование карт вегетационных индексов, полученных 126 по космическим снимкам.

3.4.3. Использование МДЗЗ при количественной оценке видового 131 разнообразия растительного покрова

3.5. Составление тематических электронных карт по материалам 139 дистанционного зондирования высокого и сверхвысокого разрешения

3.5.1. Алгоритмы и программы автоматизации дешифрирования 13 9 материалов ДЗЗ

3.5.2. Программный комплекс для создания тематических элек- 148 тронных карт

Глава 4 Геоинформационные технологии создания и использования интегральных лесных и эколого - географических карт для оценки состояния природной среды, включая леса

4.1. Эколого - географические и тематические, включая лесные, 150 карты для оценки состояния окружающей среды

4.2. Развитие ГИС «Дистанционный мониторинг лесов Ленинград- 161 ской области», включая ее геоэкологическую компоненту

4.2.1. Структура информационного обеспечения

4.2.2. Цели создания системы

4.2.3. ГИС-карты распределения химических элементов

4.3. Геоинформационные технологии создания эколого - геогра- 169 фических, лесных и других тематических карт для оценки состояния ПТК разных рангов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дистанционный мониторинг таежных лесов с использованием ГИС-технологий обработки цифровых и архивных аналоговых аэро и космических изображений»

Актуальность темы определяется необходимостью совершенствования технологии непрерывной многоуровневой инвентаризации лесов и дистанционной оценки их состояния в динамике и статике. Необходимо так преобразовать систему российского лесоустройства, чтобы она обеспечивала создание и непрерывное пополнение баз картографических и атрибутивных данных о лесах в реальном масштабе времени. Разработка такого рода технологий соответствует концепции развития российских регионов. Она позволяет решать задачи кадастровой оценки земель лесного фонда, определения экологического и ресурсного потенциала лесов, создания программно - методического обеспечения мониторинга лесов и их охраны.

Цель работы заключается в разработке рекомендаций по совместному использованию архивных, современных цифровых и многоспектральных изображений среднего, высокого и сверхвысокого разрешения для объективной и непрерывной оценки лесных ресурсов. В основу исследования положен ландшафтный метод дешифрирования материалов ДЗЗ, ГИС - анализ показателей спектральной яркости различных категорий земель лесного фонда, картографический метод анализа пространственно определенных объектов и математико -статистические методы анализа изучаемых геоданных.

Основные задачи исследования:

1. Анализ материалов ДЗЗ с оценкой их пригодности для определения таксационных и дешифровочных показателей лесов;

2. Изучение и практическая реализация ландшафтного районирования территории объекта инвентаризации и дистанционного мониторинга с созданием масок границ постоянных выделов, - участков, требующих одинаковых хозяйственных мероприятий;

3. Совершенствование автоматизированного дешифрирования таксационных показателей насаждений по цифровым и оцифрованным АКФС;

4. Обоснование рекомендаций по непрерывной инвентаризации и дистанционному мониторингу состояния земель лесного фонда;

Научная новизна . В результате исследования соискателем впервые были определены связи спектральной оптической яркости и плотности с геохимическими параметрами исследованного полигона, изучены связи между факторами среды и изображением насаждений на материалах дистанционного зондирования, разработаны методика и техника многоцелевого дешифрирования оцифрованных аналоговых и нефотографических цифровых АКФС с использованием ГИС-технологий. Для реализации цели исследования были проанализированы совокупности кривых спектральной яркости насаждений Лисинского аэрокосмического и ГИС-полигона, Тосненско-Гатчинско-Лужского ландшафтного полигона и доступные данные на земли лесного фонда Ленинградской области. Впервые был разработан алгоритм дешифрирования формализованных показателей полога насаждений, построения индексных полей и тематических карт по материалам дистанционных съемок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты оценки пригодности цифровых и оцифрованных аналоговых АКФС для непрерывной инвентаризации лесов;

2. Методика и техника визуального, интерактивного и автоматизированного дешифрирования контуров и таксационных показателей насаждений по МДЗЗ - оцифрованным и цифровым цветным спектрозональным и многоспектральным аэроснимкам, а также космическим снимкам фотографического и нефотографического происхождения;

3. Коэффициенты и индексы для определения таксационных показателей насаждений и их полога по материалам ДЗЗ;

4. Структура геохимической компоненты базы атрибутивных данных изучаемого ландшафта;

5. Рекомендации по использованию материалов дистанционных съемок при всесезонной инвентаризации лесного фонда.

Практическая значимость работы. Полученные в процессе исследования результаты существенно дополняют базу знаний о закономерностях формирования изображений на материалах дистанционного зондирования и позволяют по-новому взглянуть на автоматизированное распознавание образов объектов ландшафтной оболочки Земли.

Результаты анализа информационной емкости материалов дистанционных съемок и особенностей формирования изображений на аналоговых (фотографических) и цифровых снимках пополняют базу фундаментальных знаний о распознавании образов и путях использования материалов дистанционного зондирования в лесном хозяйстве и охране природы. Рекомендации, разработанные в результате диссертационного исследования, могут быть использованы лесоустроительными предприятиями и проектными организациями для экологически безопасного лесопользования и контроля состояния окружающей среды на локальном и региональном уровне. Особое значение для практического использования имеют способы оценки воздействия промышленных выбросов на насаждения и состояние окружающей среды с учетом геохимической компоненты природных территориальных комплексов.

Личный вклад. Все этапы исследования выполнены под руководством и с личным участием автора. Автор принимал участие в сборе полевого материала. Постановка задач, пути их решения, классификация, обработка и анализ данных были выполнены лично автором. Представление результатов сделано с использованием математической статистики и ГИ технологий.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждаются высокой степенью совпадения результатов дешифрирования, данных пробных площадей, выделов уточненной таксации, ландшафтных профилей и таксационных описаний, сделанных при инвентаризации лесов ЛУОЛХ и использованных в качестве контроля. Современные методы сбора и обработки информации и объем исходных данных были достаточными для обеспечения заданной точности результатов исследования.

Апробация и публикация результатов работы. Основные результаты исследования были опубликованы в 3 научных статьях и обсуждены на 6 научно-технических конференциях разного уровня. Все важнейшие вопросы исследования неоднократно обсуждались с ведущими специалистами в области лесной таксации, лесоустройства и ГИС.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и практических рекомендаций. Объем работы составляет 173 страниц, в том числе: таблиц - 42, рисунков - 65. Библиографический список включает 179 наименований, в том числе 3 статьи и учебное пособие, опубликованные автором в рекомендованных реферируемых изданиях.

Заключение диссертации по теме «Лесоустройство и лесная таксация», Ердяков, Сергей Васильевич

18.Результаты исследования и обзор работ предшественников показали, что древесные растения, в основном, используются для индикации загрязнения атмосферного воздуха. Физиолого-биохимические, морфометрические, анатомические показатели состояния растений более пригодны для определения суммарных уровней загрязнения атмосферы в силу неспецифичности ответных реакций растений. Эти же показатели можно использовать для оценки суммарного загрязнения почв. Контроль суммарной загрязненности атмосферы можно производить с помощью регистрации реакции насаждений, а конкретными токсикантами - наземными методами. Например, с использованием таких показателей, как СПК и К0б листьев и хвои.