Методика спектрометрирования и дешифрирования аэрокосмических снимков при картографировании состояния и динамики растительности экотона "тундра-тайга": на примере Хибинских гор тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.33, кандидат географических наук Михеева, Анна Игоревна

• Михеева, Анна Игоревна
• кандидат географических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат географических наук Михеева, Анна Игоревна

Введение.

Глава 1. Экотон «тундра-тайга» как объект картографирования.

§1.1. Географическое положение и границы экотона «тундра-тайга».

§ 1.2. Структура экотона «тундра-тайга».

§1.3. Естественные изменения растительности экотона «тундра-тайга» за

С С\^ ци^ЛСДПИС ЛС1.¿.Э

§1.4. Опыт использования дистанционных методов для исследования и картографирования границ, структуры и изменений растительности экотона «тундра-тайга».

Выводы.

Глава 2. Крупномасштабные исследования современного состояния и динамики растительности экотона «тундра-тайга» на ключевых участках Хибин.

§2.1. Растительность экотона «тундра-тайга» на ключевых участках Хибин

§2.2. Крупномасштабное исследование динамики растительности экотона «тундра-тайга».

§2.2.1 Подготовка исходных материалов на ключевой участок Тульок.

§2.2.2 Обработка исходных материалов на ключевой участок Юмечорр.

§2.2.3. Дешифрирование динамики растительности экотона «тундра-тайга» на ключевых участках.

§2.3. Крупномасштабное исследование современного состояния растительности экотона «тундра-тайга».

§2.3.1 Подготовка снимка (^шскВЫ.

§2.3.2. Автоматизированное дешифрирование растительности экотона «тундра-тайга» по снимку (^шскВш!.

Выводы.

Глава 3. Оценка возможности использования многозональных космических снимков высокого разрешения для среднемасштабного картографирования современного состояния и изменений растительности экотона «тундра-тайга».

§3.1.Отображение типичных объектов экотона «тундра-тайга» на снимках высокого разрешения (15-30 м).

§3.2. Спектральное смешивание и спектральная декомпозиция.

§3.3. Изучение спектрального смешивания по данным наземного спектрометр ирования.

Выводы.

Глава 4. Дешифрирование современного состояния растительности экотона «тундра-тайга» по космическим снимкам высокого разрешения на основе метода спектральной декомпозиции.

§4.1. Выбор алгоритма классификации.

§4.2. Создание изображений проективного покрытия растительности экотона «тундра-тайга» на долину р. Тульок.

§4.3. Оценка достоверности изображений проективного покрытия растительности.

§4.4. Создание итоговой схемы дешифрирования растительности экотона

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика спектрометрирования и дешифрирования аэрокосмических снимков при картографировании состояния и динамики растительности экотона "тундра-тайга": на примере Хибинских гор»

Одно из основных свойств географических систем - постоянное изменение во времени (География, общество., 2004). Исследование изменений природных объектов является одним из важнейших направлений географической науки (Берлянт, 2001). Возможность исследования изменений на обширных территориях обеспечивается аэрокосмическими снимками и накопленным опытом аэрокосмического картографирования (Книжников, Кравцова, 1991). Аэрокосмическое картографирование растительного покрова насчитывает большое число методов и составляет важную часть аэрокосмического мониторинга Земли ввиду индикаторных свойств растительности (Книжников и др., 2004).

Изучению пространственно-временной динамики сообществ лесотундры в настоящее время уделяется исключительно большое внимание из-за необходимости оценки их реакции на современные изменения климата и прогнозирования последствий для человека. Глобальные изменения климата затронули границы природных зон и привели к изменениям в составе лесных и лесотундровых сообществ (Кга^ск, 2004; КиИтап, К]а1^геп 2006; БИ^аЛ & а1., 2001; \Valther еЬ а1., 2002). Особый интерес представляют субарктические лесные и лесотундровые сообщества, так как они находятся в жестких климатических условиях и начинают раньше реагировать на изменение климата по сравнению с сообществами, расположенными на более низких широтах (Изменение климата., 2003). В лесотундровых экотонах северных и высокогорных районов России наблюдается увеличение площадей редколесий и сомкнутых лесов за счет облесения тундр и увеличения густоты и продуктивности ранее существовавших древостоев (ВгавхуеН е1 а1., 1997, Величко и др., 2002, 8ЫуаШу е1 а1., 2005). В соответствии с методологической базой исследования, в дальнейшем лесотундровые сообщества именуются в работе экотон «тундра-тайга» (Горчаковский, Шиятов, 1985).

Актуальность работы обусловлена необходимостью изучения изменений растительного покрова экотона «тундра-тайга», происходящих на Земле в связи с глобальными изменениями, и их количественной оценки для составления возможных прогнозных сценариев; отсутствием карт растительности экотона «тундра-тайга», пригодных для мониторинга изменений, неразработанностью методов количественной оценки изменений растительного покрова экотона «тундра-тайга» по аэрокосмическим снимкам.

Цель диссертационного исследования - разработка комплекса методик дешифрирования современного состояния и динамики растительности экотона «тундра-тайга» по аэрокосмическим снимкам разного разрешения на примере Хибинских гор для дальнейшего картографирования. Для достижения поставленной цели потребовалось:

1. Проанализировать и обобщить опыт дешифрирования растительности экотона «тундра-тайга», рассмотрев определение его пространственного положения в свете одной из важнейших научных проблем в географии - проблемы границ; проанализировать факты отклика растительности экотона на изменения климата, изученные в последние десятилетия; рассмотреть и обобщить современный методический опыт исследований изменений в экотоне, с помощью аэрокосмических снимков;

2. Детально исследовать и охарактеризовать изменения в экотоне, произошедшие за последние 50 лет на примере Хибин, разработать методику и составить схемы дешифрирования на ключевые участки.

3. На основе натурного спектрометрического эксперимента охарактеризовать спектральные характеристики объектов экотона (деревьев, кустарничков, лишайников, камней), изучить их отображение на многозональных космических снимках субметрового и высокого разрешения (первые десятки метров) и выявить пороги разделимости объектов и изменений объектов, важные для их последующего картографирования.

4. Разработать методику дешифрирования современного состояния растительности экотона «тундра-тайга» по многозональным космическим снимкам субметрового и высокого разрешения и составить схему дешифрирования растительности экотона для долины р. Тульок (Хибины), оценить возможность картографирования динамики растительности экотона.

Методологическая база. В основе диссертационного исследования -классические методы изучения динамики объектов по разновременным снимкам (Книжников, Кравцова, 1991; Кравцова, 1995), современные методы автоматизированного дешифрирования космических снимков (Chang, 2007; Olthof, Fraser, 2006; Fraser et al., 2011), опыт исследования изменений растительности экотона тундра-тайга (Горчаковский, Шиятов, 1985; Мягкова, 1988; Кравцова, Лошкарева, 2010), основополагающие принципы отечественного картографирования растительности (Кузнецов, 1928, Лавренко, 1947, Сочава, 1979), эколого-морфологическая классификация растительности В.А. Сукачева, Е.М. Лавренко, А.П. Шпенникова, A.B.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена методика дешифрирования изменений древесного яруса экотона «тундра-тайга» по аэроснимкам и космическим снимкам субметрового разрешения с привлечением цифровой модели местности.

2. В экотоне «тундра-тайга» на ключевых участках Хибин выявлены изменения, произошедшие за последние 50 лет: высота верхней границы произрастания деревьев увеличилась в среднем на 30 м, густота древостоев увеличилась примерно в 3 раза, количество подроста - приблизительно в 10 раз.

3. Впервые предложена методика дешифрирования современного состояния растительности экотона «тундра-тайга» по аэроснимкам и космическим снимкам субметрового разрешения на основе спектральных и текстурных характеристик растительности для мониторинга последующих изменений.

4. Впервые по полевым спектрометрическим данным исследованы особенности формирования спектральной смеси отражательных характеристик образца, состоящего из нескольких компонентов ландшафтов экотона «тундра-тайга», оценена достоверность метода линейной спектральной декомпозиции для определения проективного покрытия компонентов ландшафтов экотона.

5. На основе экспериментальных данных установлены пороги разделимости компонентов ландшафтов экотона «тундра-тайга» на космических снимках, сделаны выводы о дешифрируемое™ этих компонентов по многозональным космическим снимкам.

6. Впервые предложена методика дешифрирования современного состояния растительности экотона по снимкам высокого разрешения на основе метода спектральной декомпозиции и составлена схема дешифрирования на долину р. Тульок.

7. Установлено, что на современном этапе картографирование естественных изменений растительности экотона «тундра-тайга» по космическим снимкам высокого разрешения на основе метода спектральной декомпозиции неосуществимо в связи с недостаточной спектральной различимостью компонентов ландшафтов экотона и низким пространственным разрешением снимков, несопоставимым с величиной изменений на местности.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Изменение высоты произрастания деревьев в экотоне «тундра-тайга» может быть количественно оценено по снимкам субметрового разрешения за срок в несколько десятилетий при наличии детальных данных о рельефе с применением классических методов дешифрирования.

2. Изменения сомкнутости и густоты древостоев в экотоне «тундра-тайга» за этот срок могут быть оценены по многозональным космическим снимкам высокого разрешения на качественном уровне.

3. Картографирование современного состояния растительности экотона «тундра-тайга» должно базироваться на отображении «нечетких» границ, выраженных в единицах проективного покрытия компонентов ландшафтов экотона, что обеспечивается применением метода спектральной декомпозиции при компьютерной обработке снимков.

4. Методика спектральной декомпозиции цифровых космических снимков высокого разрешения может быть применена для картографирования количественных характеристик растительности экотона «тундра-тайга».

Практическая значимость работы заключается в следующем: количественные результаты дешифрирования состояния и изменений растительности экотона могут служить исходными данными в расчётах и моделях климатических сценариев, полученные карты современного состояния растительности могут быть использованы для мониторинга изменений растительного покрова экологами, сотрудниками охраняемых природных территорий.

Средства реализации. При разработке методик дешифрирования современного состояния растительности использованы новейшие системы обработки и анализа изображений: алгоритмы фотограмметрической обработки и автоматизированного дешифрирования, реализованные в программных пакетах ERDAS Imagine и ENVI, а также средства растрово-векторных преобразований ArcGIS Desktop.

Фактический материал. В качестве источников использовались данные наземного полевого спектрометрирования 4-канальным спектрометром Skyelnstruments SpectroSense2+, материалы полевых исследований автора 2007-2010 гг., а также архивные аэрофотоснимки 1958 г., современные космические снимки субметрового разрешения QuickBird-2, WorldView-1, GeoEye-1, снимки высокого разрешения Terra ASTER, топографические карты масштаба 1: 50 000 на территорию Хибин.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на Шестой открытой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» ИКИ РАН (2008), конференции Международного полярного года в Осло (2010), 11м Международном симпозиуме по исследованиям полярных регионов дистанционными методами (Кембридж, 2010), ежегодных встречах участников международного проекта PPS Arctic/BENEFITS (Апатиты, 2008, Москва, 2009, Эдмонтон, 2010, Москва, 2011). По теме диссертации имеется 7 публикаций, в том числе две - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Внедрение. Результаты диссертационного исследования получены в рамках выполнения плана научных работ лаборатории аэрокосмических методов по теме «Аэрокосмические технологии исследований динамики природной среды» (№ гос. per. 0120.0 603975), работ по грантам поддержки ведущих научных школ (НШ-3405.2010.5, НШ-171.2008.5), госконтракта «НОЦ» № 14.740.11.0200 и гранта Международного полярного года PPS Arctic/BENEFITS (OST 185023/S50).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (107 наименований). Материал изложен на 140 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 40 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Картография», Михеева, Анна Игоревна

Выводы

Многочисленные исследования подтверждают, что изучение растительности экотона «тундра-тайга» является чрезвычайно важной задачей в связи с малой изученностью и изменениями компонентов, которые происходят в последнее время. Большинство зафиксированных изменений связано с изменением климатических параметров (температура и осадки) и говорит об ответной реакции растительности экотона на климатические изменения.

Реакция растительности экотона «тундра-тайга» на изменения климата варьирует в зависимости от многих факторов и требует исследования на всех уровнях от локального до глобального.

Начиная с середины XX века в работах огромного количества ученых изучается реакция растительности экотона «тундра-тайга» на изменения климата. Одну из главных ролей в этих исследованиях играют дистанционные методы. Однако большинство исследований носит точечный характер и, в основном, изучает характеристики экотона «тундра-тайга» только на качественном уровне.

Изученные изменения в растительности экотона были закартографированы лишь частично для узких исследований. Основными данными для этих карт стали полевые наблюдения и описания, данные полевого мониторинга (например, Моисеев и др., 2010). На настоящий момент не существует методик картографирования растительности экотона «тундра-тайга» для целей дальнейшего мониторинга изменений по дистанционным материалам.

В связи с этим в настоящей работе, ставится задача на примере Хибинских гор разработать методики дешифрирования растительности экотона и её изменений по аэрокосмическим снимкам различной детальности для дальнейшего картографирования, которая решается на протяжении работы:

В главе 2 в крупном масштабе на ключевых участках исследуется отображение растительности и экологические рубежи экотона, возможности детальных снимков для их картографирования, производится дешифрирование современного состояния растительности и изменений за прошедшие 50 лет.

В главе 3 исследуется отображение растительности и экологических рубежей на менее детальных, но более обзорных снимках высокого разрешения (15 м), выбираются подходы и принципы дешифрирования растительности, исследуется возможность картографирования по этим снимкам динамики.

В главе 4 разрабатывается методика и производится дешифрирование растительности по современному снимку высокого разрешения.

Глава 2. Крупномасштабные исследования современного состояния и динамики растительности экотона «тундра-тайга» на ключевых участках Хибин

§2.1. Растительность экотона «тундра-тайга» на ключевых участках Хибин

Для детального изучения современного состояния растите тткногти и её динамики с 1958 по 2008 гг. были выбраны два ключевых участках в экотоне «тундра-тайга» Хибинских гор - Тульок и Юмечорр (рис. 4).

Рис 4. Схема расположения ключевых участков для крупномасштабного изучения растительности экотона «тундра-тайга» в Хибинах: а -Тульок, б -Юмечорр.

Участок в долине р. Тульок охватывает верхнее течение реки и правый борт долины, изрезанный ручьями. Правый борт имеет относительно малую крутизну (до 10°). Нижняя часть правого борта занята еловым старовозрастным малонарушенным лесом и участками смешанного березово-елового леса. Сосна практически отсутствует. Нижний ярус леса представлен повсеместно кустарничками. Пояс березового криволесья достаточно протяженный, в нем редко встречается ель. Верхняя граница леса представлена, в основном, березами. Криволесье сменяется кустарничково-лишайниковой тундрой, в которой по мере увеличения абсолютной высоты все более преобладают лишайники. В верхней части склон сменяется плато, где господствуют элювиальные процессы. Значительную часть площади плато занимают камни разного размера с накипными лишайниками.

Участок Юмечорр находится на склоне юго-западной экспозиции южного отрога горы Юмечорр. Здесь, в нижнем течении реки встречаются сосновые леса, но у подножия склона преобладают старовозрастные еловые леса (с примесью сосны), в горнолесном поясе встречается ряд редких видов растений. Вдоль ручьев обычны прирусловые лужайки и болота в комплексе с еловыми лесами и березовыми криволесьями. Участок характеризуется значительной крутизной склона и расчлененностью в верхних частях. В целом по участку, отмечается очень низкая высота леса для верхней границы по сравнению со средней для Хибин, составляющей 349 м (Михеева, 2010). Наибольшая высота границы леса - на стороне склона, обращенной к западу и составляет 370 м. Выше на склонах лес сменяет узкая полоса березового криволесья, где отмечается значительное число отдельно стоящих сосен. Выше находится кустарничково-лишайниковая тундра с зеркалами небольших озер и болотцами. В самых верхних частях склона господствует лишайниковая тундра, каменистых участков немного.

§2.2. Крупномасштабное исследование динамики растительности экотона «тундра-тайга»

Ключевые участки были по-разному обеспечены дистанционными материалами, что определило различия в методике обработки исходных данных и точности исследования.

§2.2.1 Подготовка исходных материалов на ключевой участок

Тульок

На ключевом участке Тульок использовалась архивные аэрофотоснимки от 14 августа 1958 г. с пространственным разрешением около 2 м и современные данные - объединенный с панхроматическим многозональный снимок QuickBird от 28 июня 2006 г. (разрешение 0,6 м). Выбор данных современной съемки отвечал следующим критериям: доступность снимков, минимальная облачность, пик вегетационного периода на момент съемки (конец июня-август), максимально возможный интервал между датами съемок. Для совместного анализа снимки необходимо было преобразовать в единую систему координат, для чего использовалась высокодетальная цифровая модель местности (ЦММ).

При построении ЦММ использована стереопара космических снимков GeoEye от 22 августа 2009 г., пространственное разрешение 0,5 м. Стереопара была ориентирована путем применения коэффициентов рациональной функции (англ. Rational Polynomial Coefficients - RPC), аппроксимирующих строгую модель съемки, без использования опорных точек в модуле LPS ERDAS Imagine. При ориентировании стереопары только по RPC-коэффициентам максимальная ошибка планового положения на контрольных точках составляет до 3,3 м, что соответствует точности масштаба 1:10 000 (http : //www. racurs. ru/?page=456). Методом фототриангуляции в автоматизированном режиме был получен массив точек с координатами X, Y, Z, опознанных на обоих снимках.

Опознавание точек описывается стратегией, экспериментально подобранной в процессе работы, в которую входят выбор окна поиска, окна корреляции и порог коэффициента корреляции, при котором опознавание общих точек считается верным. Размер окна поиска составлял 21x21 пиксела, размер окна корреляции - 1 lxl 1 пикселов, порог коэффициента корреляции

44

Полученные координаты точек проверялись на наличие «всплесков» и артефактов путем построения некоторого количества профилей (всего около 150 на территорию площадью 100 км ) вдоль и поперек склонов в модуле TerraScan программы Microstation. Неверно опознанные точки удалялись. Поскольку снимки охватывают отвесные склоны в районах ледниковых цирков, наличие глубоких теней делает невозможным опознавание общих точек на стереопаре, и в этих местах данные о рельефе дополнялись горизонталями с топографической карты масштаба 1:50 ООО.

Построение итоговой ЦММ выполнялось в программе Arclnfo Workstation, где помимо точек и горизонталей использовались данные об озерах, водотоках и тальвегах, оцифрованных по снимкам GeoEye. На основании экспериментальных работ был определен размер пиксела ЦММ 3x3 м, отвечающий ее точности.

Точность полученной ЦММ оценивалась путем сравнения ряда превышений, измеренных по модели с превышениями, измеренными в поле с помощью приемников глобального позиционирования (GPS) дифференциальным методом. Измерения производились автором летом 2009 года на 20 опорных точках, опознанных на снимке GeoEye и трех геодезических пунктах двумя приемниками Trimble R3 в режиме «быстрой статики». В табл. 2 приведены разности высот опорных точек и пирамиды Саами, полученных по данным GPS-измерений и по составленной ЦММ. Разности не превышают 6 м, что говорит о том, что полученная ЦММ обладает высотной точностью, примерно соответствующей топографической карте масштаба 1: 10 000 (табл. 2).

Аэрофотоснимки, доступные в отпечатках, были оцифрованы с разрешением

1200 dpi. На основе полученной ЦММ один из панхроматических снимков

GeoEye, снятый под наименьшим углом отклонения от надира, был ортотрансформирован для последующего использования как основы для привязки остальных снимков. При ортотрансформировании снимка

45 использовались КРС-коэффициенты и опорные точки, опознанные на снимке ОеоЕуе. Аэрофотоснимки 1958 г. объединялись в блок, их взаимное ориентирование проводилось по общим точкам, а внешнее ориентирование -по тем же точкам, опознанным на снимке ОеоЕуе. Среднеквадратические погрешности отклонения снимков от аппроксимирующей поверхности в плане составили 0,07 м для РшскВкс! и около 2 м для аэрофотоснимков.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Михеева, Анна Игоревна, 2011 год

1. Рис. 7. Метод спектрального угла.

2. Объекты для дешифрирования выбирались по снимку QuickBird на основе полевой схемы дешифрирования А.Р. Лошкаревой, выполненной летом 20иу года (см. рис. 8) и общего знания территории, полученного автором при полевых исследованиях 2008 и 2009 гг.

3. Рис. 8. Фрагмент схемы полевого дешифрирования масштаба 1: 2000 (составлена в поле1. Лошкаревой А. Р.).