Оценка динамики тропической растительности Вьетнама по данным многозональной съёмки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.34, кандидат технических наук Чинь Ле Хунг

• Чинь Ле Хунг
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чинь Ле Хунг

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1: АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Общие сведения о тропическом растительном покрове мира и Вьетнама.

1.2 Классификация типов растительности Вьетнама.

1.3 Динамика тропической растительности Вьетнама и её причины.

1.4 Роль и место аэрокосмических методов мониторинга растительного покрова Вьетнама.

1.5 Основные задачи дистанционного зондирования растительного покрова Вьетнама.

1.6 Обзор средства и методов дистанционного зондирования растительного покрова.

1.7 Основные характеристики космических природно-ресурсных спутников ЬАЖ)8АТ.

1.8 Использование многозональных изображений для мониторинга растительного покрова.

1.9 Основные коммерческие программные средства для обработки аэрокосмических изображений.

1.10 Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2: ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР МЕТОДИК ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ МНОГОЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ТРОПИЧЕСКОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ВЬЕТНАМА

2.1 Принципы сбора и систематизации космических многозональных изображений для территорий Вьетнама.

2.2 Технические требования к основным параметрам данных дистанционного зондирования для решения задач дешифрирования тропической растительности Вьетнама.

2.3 Анализ методов предварительной обработки разновременных космических многозональных изображений.

2.3.1 Геометрическая коррекция и трансформирование изображений

2.3.2 Радиометрическая калибровка.

2.3.3 Анализ и выбор методов фильтрации многозональных изображений.

2.4 Методики предварительной обработки многозональной съемки для дешифрирования тропической растительности Вьетнама.

2.4.1 Алгоритмы сегментации многозональной съемки на основе структурно-пространственной модели изображений.

2.4.2 Методика построения структурно-пространственной модели изображений.

ГЛАВА 3: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ТРОПИЧЕСКОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ВЬЕТНАМА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МНОГОУРОВНЕВОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ СЕРИИ СНИМКОВ.

3.1 Исходные данные и исследуемая территория.

3.2 Одноуровневое дешифрирование временного ряда исходных многозональных изображений.

3.3 Дешифрирование временного ряда многозональных изображений с использованием предварительной обработки на основе структурно -пространственной модели.

3.4 Оценка достоверности дешифрирования тропической растительности Вьетнама.

3.5 Анализ изменения растительного покрова Вьетнама по данным результатов дешифрирования.

ГЛАВА 4: АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРОПИЧЕСКОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ВЬЕТНАМА И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДЕШИФРИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИНДЕКСОВ.

4.1 Анализ спектральной отражательной способности растительности и создание спектральных профилей основных видов тропической растительности Вьетнама.

4.2 Спектральные свойства вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса и разработка его спектрального индекса.

4.2.1 Анализ существующих вегетационных индексов растительности.

4.2.2 Разработка спектрального индекса вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса Вьетнама.

4.3 Методика дешифрирования вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса Вьетнама на основе спектрального индекса //.

4.4 Анализ результатов дешифрирования вечнозеленого сомкнутого дождевого тропического леса Вьетнама на основе разработанных индексных изображений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка динамики тропической растительности Вьетнама по данным многозональной съёмки»

Дистанционное зондирование Земли означает получение информации о состоянии земной поверхности по измеренным на расстоянии, без непосредственного контакта датчиков с поверхностью, характеристикам электромагнитного излучения.

С начала 70-х годов нашего столетия дистанционное зондирование Земли стало быстро развиваться как единое многодисциплинарное направление исследований в науке и практике. Основанное более чем на полувековом опыте аэрофотосъемки и тематическом использовании ее результатов (классические методы дистанционного зондирования), оно применяется сегодня в географии, лесном и сельском хозяйстве, океанологии и океанографии, при планировке местности под строительство и т. д.

С 1980 г. во Вьетнаме, дистанционное зондирование вначале применялось для создания топографических и специальных карт при использовании космических изображений, полученных с зарубежных спутников СССР и Франции. Аэрокосмические методы используются для мониторинга растительного покрова с 1997 года. За последние десятилетия выполнен большой объем работ в области дистанционного зондирования растительности, в том числе оценки состояния лесов, определения площади лесных земель, прогноза лесных пожаров, создания и обновления топографических карт разных масштабов.

Известно, что антропогенная деятельность сопровождается негативными процессами как эрозия почв, нарушение лесов, загрязнение водной поверхности, и т.д. Все это, как правило, ведет к появлению серьезных локальных и глобальных экологических изменений, которые необходимо анализировать и оценивать, а также прогнозировать их развитие с целью комплексного исследования изучаемой территории земной поверхности и повышения эффективности использования её природных ресурсов. Аэрокосмические методы дают возможности решения задач оценки динамики земной поверхности, в том числе динамики растительности.

Растительные, в том числе лесные ресурсы, являются основным видом природных ресурсов Вьетнама и играют важную роль в экономике страны. Но в условиях возрастающего разностороннего антропогенного воздействия, лесной покров Вьетнама сильно изменяется. Эти изменения отображаются на космических снимках, соответственно актуальной является разработка новых и адаптация существующих методов, которые позволили бы проводить регулярный мониторинг состояния растительности, оценивать и картографировать ее динамику для того, чтобы предпринимать действия по сохранению и восстановлению природных экосистем. Анализ современного состояния вопроса показал, что космические многозональные съемки обладают значительным потенциалом для использования в области мониторинга растительного покрова. В настоящее время, накоплены огромные объемы космической информации, которая обновляется за счет новой с периодом несколько суток, в тоже время во Вьетнаме не хватает методик автоматизированного дешифрирования космических изображений, адаптированных к особенностям его географической зоны, особенно для целей мониторинга растительного покрова. В диссертационной работе автор исследовал вопросы разработки новых автоматизированных методик, обеспечивающих мониторинг тропической растительности Вьетнама по данным многозональной съемки для оценки ее состояния и динамики.

Актуальность темы настоящей работы, таким образом, обусловлена нерешенностью задачи информационного обеспечения мониторинга тропической растительности Вьетнама по данным многозональной съемки.

Цель диссертационного исследования состояла в решении актуальной задачи адаптации и разработки современных методик автоматизированного дешифрирования тропической растительности Вьетнама, с целью оценки её динамики по разновременным космическим многозональным снимкам.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

• Провести сбор и предварительную обработку данных многозональной съемки на представительные участки территории Вьетнама;

• Исследовать и сравнить эффективность дешифрирования тропической растительности Вьетнама путем одноуровневой контролируемой классификации и современных методов многоуровневой классификации на основе структурно-пространственной модели исходных-изображений;

• Исследовать возможности разработки новых индексных изображений для дешифрирования видов тропической растительности Вьетнама.

Материалами для исследовательских работ являлись разновременные космические многозональные снимки, полученные со спутника ЬАЖ)8АТ, топографические и тематические карты (географические карты и карты растительности).

Предметом диссертационного исследования являются разработка методик оценки состояния и динамики тропической растительности по серии разновременных многозональных изображений. Объект исследования -тропическая растительность.

Научная новизна работы. В результате выполнения работы впервые выявлены возможности повышения эффективности дешифрирования тропической растительности за счет использования современных методик многоуровневой классификации. Получены спектральные профили 7 основных видов тропической растительности Вьетнама. Разработан индекс вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса, равного отношению разности значений интенсивности пикселя в зеленом (0.52 - 0.60 мкм) и среднем ИК-диапазоне (1.55 - 1.75 мкм) и их суммы.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

• Методика оценки динамики тропической растительности на основе обработки временных рядов космических изображений с использованием многоуровневой классификации.

• Алгоритм получения индексного изображения вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса, равного отношению разности значений интенсивности пикселя в зеленом (0.52 - 0.60 мкм) и среднем ИК-диапазоне (1.55 - 1.75 мкм) и их суммы.

• Методика дешифрирования влажных дождевых тропических лесов при отсутствии априорных данных обо всех классах объектов на изображении.

• Спектральные характеристики тропических лесов Вьетнама.

Область применения: разработанные методики могут широко использоваться:

• в автоматизированных системах контроля и прогноза состояния окружающей природной среды;

• в лесном и сельском хозяйстве;

• в динамическом картографировании.

Значимость и практическая ценность работы. Разработанные методики обеспечивают решение исследования текущего состояния и динамики тропической растительности Вьетнама.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 64-ой, 65-ой, 66-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, проходившей в Московском Государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК), а так же на Международной научно-технической конференции, посвященной 230-летию создания МИИГАиК в рамках «Дней защиты от экологической опасности» и «Международного дня охраны окружающей среды» (Москва, 2009).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, 3 из которых в журналах, рекомендованных ВАК.

Заключение диссертации по теме «Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия», Чинь Ле Хунг

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа содержит результаты исследований и разработок автора, которые можно рассматривать как решение научной задачи по выбору и развитию методов автоматизированного дешифрирования серий разновременных многозональных снимков для мониторинга состояния и оценки динамики тропической растительности Вьетнама.

По результатам диссертационной работы сделаны следующие основные выводы:

• Методика предварительной обработки многозональной съемки высокого пространственного разрешения (ЬАМ)8АТ) на основе структурно-пространственной модели позволяет более эффективно дешифрировать различные типы тропической растительности Вьетнама по сравнению с классификацией исходных зональных изображений. Достоверность дешифрирования при использовании структурно-пространственной модели увеличивает в среднем на 16%;

• Эксперименты по классификации тропической растительности Вьетнама по данным многозональной съемки путем структурно-пространственной модели показали возможность дешифрирования вечнозеленых сомкнутых влажных дождевых лесов, многолетних лесов, смешанных лиственно-бамбуковых лесов, молодых лесов и лесонасаждений, бамбуковых лесов с достаточным уровнем достоверности;

• Полученные результаты дешифрирования тропической растительности по данным разновременных многозональных снимков ЬАМЭБАТ обеспечивают возможность создания и обновления карт растительности масштаба 1: 100 ООО, а также создания карт динамики растительности масштаба 1: 100 ООО;

• Спектральный анализ тропической растительности Вьетнама показал, что наиболее информативными зонами для вечнозеленого сомкнутого влажного дождевого тропического леса являются зеленый и средний ИК-диапазон.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чинь Ле Хунг, 2011 год

1. Савиных В.П., Малинников В.А., Сладкопевцев С.А, Цыпина Э.М. География из космоса. М: МИИГАиК, 2000, 222 стр.

2. Савиных В.П. Кучко А.С., Стеценко А.Ф. Аэрокосмическая фотосъемка. Учебник для вузов, М.: «Картгеоцентр Геодезиздат», 1997, 378 стр.

3. Бондур В.Г., Крапивин В.Ф. Савиных В.П. Мониторинг и прогнозирование природных катастроф. М: Научный мир, 2009, 692 стр.

4. Бондур В.Г. Лекция по курсу «Основы космического мониторинга окружающей среды » // МИИГАиК, 2007.

5. Бондур В.Г., Старченков С. А. Методы и программы обработки и классификации аэрокосмических изображений // Изв. ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, №3 , с. 118-143 , 2001.

6. Марчуков B.C., Сладкопевцев С.А. Ресурсно-экологическая картография. М: МИИГАиК 2005 г., 195 стр.

7. Марчуков B.C. Дешифрирование многозональных аэрокосмических изображений с использованием структурно-пространственной информации // Изв. Вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка», 2003, №6, с. 5466.

8. Марчуков B.C. Автоматизированные методы оценки динамики пространственного распределения растительного покрова и грунтов по данным дистанционного мониторинга // ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2010, №2, с. 63 74.

9. Марчуков B.C., Мышляков С.Г. Технология обработки многозональных космических снимков для целей почвенного картографирования // Изв. Вузов. «Геодезия и Аэрофотосъемка», № 2, 2008.

10. Ю.Марчуков B.C., Чинь Ле Хунг. Методы выявления динамики тропической растительности Вьетнама путем автоматизированного дешифрирования временных рядов многозональных снимков // Исследование земли из космоса, 2011, № 3, с. 75 85.

11. П.Марчуков B.C., Чинь Jle Хунг. Анализ спектральных характеристик тропической растительности Вьетнама и разработка методов дешифрирования на основе спектральных индексов // Изв. Вузов. «Геодезия и Аэрофотосъемка», № 3, 2011, с. 74 77.

12. Марчуков B.C. Лекции по курсу "Технология тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли" // М., МИИГАиК, 2007.

13. Марчуков B.C. Технология динамического картографирования по данным ДЗЗ // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Геодезия, картография и кадастр XXI век», МИИГАиК, 2009, стр. 131.

14. М.Марчуков B.C., Миртова И.А. Дешифрирование динамики растительного покрова и грунтов по материалам дистанционного зондирования. Учебное пособие, Москва, МИИГАиК, 2009, 128 стр.

15. By Зань Туен, Чинь Ле Хунг. Исследование эффективности классификации космических изображений путем наращивания однородных областей для обновления карт использования земель Вьетнама // Изв. Вузов. «Геодезия и Аэрофотосъемка», 2011., № 5, с. 42 -46.

16. КронбергП. Дистанционное изучение Земли. М: Мир, 1988,350 стр.

17. Аковецкий В.И. Дешифрирование снимков. М: Недра 1983, 373 стр.

18. Роберт А. Шовенгердт. Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки изображений. М: Техносфера, 2010, 556 стр.

19. Миртова И.А. Лекции по курсу «Дешифрирование аэрокосмических снимков» // МИИГАиК, 2006.

20. Киенко Ю.П. Основы космического природоведения, Учеб. для вузов. М.: «Картгеоцентр Геодезиздат», 1999, 285 стр.

21. Шарков Е.А., Гребенюк Ю.В. Лекции по курсу «Радиофизические методы исследования Земли» // МИИГАиК, 2007.

22. Рис У. Г. Основы дистанционного зондирования. М., Техносфера, 2006.

23. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М: Техносфера, 2005,1067 стр.

24. Книжников Ю.Ф. Кравцова В.И. Многозональная съемка и ее применение при изучении окружающей среды. Обнинск, 1978,46 стр.

25. Книжников Ю.Ф. Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований: Учеб. для студ. высш. учеб. Заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004, 336 стр.

26. Виноградов В.Б. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М: Наука, 1984, 320 стр.

27. Софер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М: ФИЗМАТЛИТ, 2004, 317 стр.

28. Лурье И.К., Косиков Ф.Г. Теория и практика цифровой обработки изображений. М: Научный мир, 2003,161 стр.

29. Лурье И.К. Основы геоинформационного картографирования: Учебное пособие. М.: МГУ 2000, 143 стр.

30. Кравцова В.И. Космические методы исследования почв. М: АСПЕКТ ПРЕСС, 2005, 189 стр.

31. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. М: АСПЕКТ ПРЕСС, 2004,184 стр.34.3амятин A.B., Марков Н.Г. Анализ динамики земной поверхности по данным дистанционного зондирования Земли. М: ФИЗМАТЛИТ, 2007, 176 стр.

32. Чабан Л.Н. Тематическая классификация многозональных изображений в пакете ERDAS Imagine. Учебное пособие, М: Московский государственный университет геодезии и картографии, 2006.

33. Малинин B.B. Обработка графической информации // В кн. «Цифровая обработка изображений на ЭВМ», М: ЦИТ СГГА, 2005.

34. Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве. Иошкар Ола, 2005, 382 стр.

35. Барталев С.А. Разработка методов оценки состояния и динамики лесов на основе данных спутниковых наблюдений // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н., Москва, 2007,48 стр.

36. Шевырногов А.П. Оценка состояния водных и наземных экосистем по динамике фитопигментов на основе использования спутниковой и земной информаций (программа «зеленая волна») // Института биофизики СО РАН, 2003.

37. Медведев Е.М. Стивен Мах, Гиперспектральные технологии компании ITRES для лесного хозяйства // Геогрофи №4, 2008.

38. Капралов Е.Г., Тикунов B.C. Основы геоинформатики. Учебное пособие для студентов вузов, МГУ, 2004, 480 стр.

39. Иванов Д.В., Хропов A.A. Фильтрация изображений. В кн. «Алгоритмические основы растровой графики», М: Открытые системы, 2006.

40. Давыдова A.B. Цифровая обработка сигналов. Курс лекций // М: Екатеринбург, Фонд электронных документов, 2005.

41. Бондаренко Ю.В. Использование эталонов при автоматизированном ландшафтном дешифрировании космических снимков // Институт водных и экологических проблем СО РАН, 2006.

42. Кравцова В.И., Тутубалина O.B. ERDAS на службе экологического мониторинга //Лаборатория аэрокосмических методов географического факультета МГУ, http://www.dataplus.ru

43. Черепанов A.C., Дружинина Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика, №3, 2009, стр. 28 30.

44. Жиленев М.Ю. Обзор применения мультиспектральных данных ДЗЗ и их• комбинаций при цифровой обработке // Геоматика, №3, 2009, стр. 56 64.

45. Тхай Ван Чынг. Экология и классификация, лесной растительности Вьетншла // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. JL, 1962. - 41 с.

46. Тхай Ван Чынг. Доклад на Международном ботаническом конгрессе // Ленинград, 1975.

47. Кунцевич А. Д., Назаркин Ю. К. Химическая война США в Индокитае. М: Наука, 1987,104 стр.

48. Напалм и диоксин во вьетнамской войне, http://www.vietnamnews.ru.

49. Ban do dia hinh tinh Thai Nguyen ti le 1: 100 000 // Bo tai nguyen moi trucmg Viet Nam, xuit ban nam 2002.fm> Г Г ^^

50. D6 Dinh Tien. Da dang sinh hoc a vuan quoc gia Tam Dao // Tap chi hoat dong khoa hoc, Bo Khoa hoc va Cong nghe Viet Nam, so 11, nam 2001.ч \ r

51. Tran Ngu Phuong. Nghien cuu tham thuc vat rimg a mien Вас Viet Nam // Ha Noi, 1970. i

52. Thai Van Trung. Phan loai thuc vat rimg Viet Nam tren quan diem sinh thai //1. Ha Noi, 1975.

53. Maurand. Lam nghiep Dong Duong // Ha Noi, 1943

54. Hien trang rimg Viet Nam nam 1999// Bo tai nguyen moi trucmg Viet Nam, 1999.

55. Hien trang rimg Viet Nam nam 2002 // Bo tai nguyen moi trucmg Viet Nam, 2002.

56. Hien trang rung Viet Nam nam 2003// Bo tai nguyen moi trucmg Viet Nam,2003.

57. Hien trang rung Viet Nam nam 2004// Bo tai nguyen moi truong Viet Nam,2004.

58. Hien trang rimg Viet Nam nam 2005// Bo tai nguyen moi truomg Viet Nam,2005.

59. Hien trang rímg Viet Nam nam 2006// Во tai nguyen mói trucmg Viet Nam, 2006.

60. Hien trang rung Viet Nam nam 2007// Bo tai nguyen mói trucmg Viet Nam,2007.

61. Hien trang rung Viet Nam näm 2008// Bo tai nguyen mói trucmg Viet Nam,2008.

62. Ve tinh Vinasat 1 // Bo thong tin va truyén thong Viet Nam, 2009.73 .Nguyen Kim Chuorng. Thuc tap de tái "Bien dong trang thái rung Viet Nam trong giai doan 1943 dén 1990" // Trucmg Dai hoc Su pham Há Noi, 2008.

63. Kamaruzaman Jusoff, Kasawani Ibrahim. Hyper spectral Remote Sensing for Tropical Rain forest // American journal of applied sciences 6: 2001 2005, 2009, page 2001-2005.

64. Chandra Giri, Tin Aung Мое, Surendra Shrestha, Josef Aschbacher. Multitemporal Analysis of the VEGETATION Data for Land Cover Assessment Monitoring in Indochina // Environmental Monitoring in Asia, list projects.

65. Radar, A Multimedia Encyclopedia's Application in Forestry and Environmental Monitoring // HGL Inc.Allrights Service, SD, 1995.

66. Polynomial Rectification // В книге «ERDAS Imagine Tour Guide», chapter 6, с. 168-178,2000, 706 с.

67. Rectification // В книге «ERDAS Imagine Field Guide», chapter 9, с. 325-357, 2000, 686 с.

68. Zuzana Maskova, Frantisek Zemek, Jan Kvet. Normalized difference vegetable index (NDVI) in the management of mountain meadows // Boreal Environment Research 13, Helsinki, 2008, 417 432.

69. Kyu-Sung Leea, Warren B. Cohenb, Robert E. Kennedy, Thomas K. Maierspergerc, Stith T. Gower. Hyperspectral versus multispectral data for estimating leaf area index in four different biomes // Remote Sensing of Environment 91, 2004, 508 520.

70. John G. Lyon, Ding Yuan, Ross S. Lunetta and Chris D. Elvidge. A change detection experiment using vegetation indices // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol. 64, 1998, pp. 143 150.

71. Major D.J., Baret F. and G. Guyot. A ratio vegetable index adjusted for soil brightness // International Journal of Remote Sensing, v.l 1,1990, p. 727 740.

72. Pearson R.L. and Miller L.D. Remote mapping of standing crop biomass forestimation of the productivity of the short-grass Prairie, Pawnee Nationaltli

73. Grassland // Colorado, 8 international symposium on remote sensing of environment, 1972, p.1357- 1381.

74. Richardson A.J. and Wiegand C.L. Distinguishing vegetable from soil background information // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, v.43, 1977, p. 1541 -1552.