Оценка и картографирование повреждений лесов по данным дистанционного зондирования и геоинформационной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.24.02, кандидат технических наук Ершов, Дмитрий Владимирович

• Ершов, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 1997

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ершов, Дмитрий Владимирович

Введение.

ГЛАВА I. Анализ существующих методов оценки лесопатологическо-го состояния насаждений.

1.1. Виды повреждений лесов бореальной зоны России и традиционные методы их оценки.

1.2. Спектрально-отражательные свойства фракций древесной растительности на различных стадиях повреждения.

1.3. Использование данных дистанционного зондирования и методов их обработки для оценки повреждений лесов.

Выводы к I главе.

ГЛАВА II. Исследование спектральных свойств древесных растений различного состояния.

2.1. Взаимосвязь спектральных признаков с возрастом побегов и показателями состояния деревьев.

2.2. Изучение связи данных спектрометрирования с содержанием в хвое пигментов.

2.3. Особенности формирования отраженного излучения вдоль вертикального профиля крон деревьев.

Выводы ко II главе.

ГЛАВА III. Метод оценки степени дефолиации лесов с использованием модели разделения спектральных смесей в пикселе спутникового изображения

3.1. Обзор существующих методов декомпозиции спектральных смесей.

3.2. Проблема выбора множества компонентов спектральных смесей (епскпетЬегв).

3.3. Сочетание методов классификации и методов декомпозиции спектральных смесей.

Разработка дополнительного программного обеспечения вычисления пропорций компонентов в пикселе изображения

Выводы к III главе.

ГЛАВА IV. Эксперимент по оценке повреждений темнохвойных лесов сибирским шелкопрядом по данным спутника SPOT с использованием метода декомпозиции спектральных смесей.

4.1. Задачи эксперимента и природно-экологическая характеристика тестового участка.

4.2. Описание исходных данных эксперимента.

4.2.1. Картографические данные.

4.2.2. Материалы спутниковой съемки.

4.2.3. Данные о лесном фонде.

4.3. Формирование баз данных ГИС на тестовый участок эксперимента.

4.3.1. Цифровая топографическая основа.

4.3.2. База данных ГИС о лесном фонде.

4.3.3. Цифровые карты поврежденности лесных насаждений.

4.3.4. Геореференцирование космических изображений.

4.4. Результаты экспериментов по оценке дефолиации темнохвойных лесов по данным спутника SPOT.

4.4.1. Анализ спектральных сигнатур и выбор множества компонентов спектральных смесей.

4.4.2. Формирование фракционных изображений с учетом пикселов, не участвовавших в обработке методом декомпозиции спектральных смесей.

4.4.3. Верификация результатов оценки степени дефолиации лесных насаждений по спутниковым данным.

Выводы к IV главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка и картографирование повреждений лесов по данным дистанционного зондирования и геоинформационной системы»

Леса России занимают 22% лесного покрова всей планеты и входят в бореальную зону северного полушария Земли. Это уникальная природная экосистема, имеющая глобальное биосферное, социальное и ресурсное значение. Состояние лесов, их продуктивность тесным образом связана с деятельностью человека и отражается на жизнеспособности и развитии человеческого общества в целом.

В результате воздействия антропогенных и природных факторов лес постоянно претерпевает изменения, некоторые из которых приводят к серьезным нарушениям структуры лесных биогеоценозов.

Все происходящие в лесах изменения условно можно разделить на четыре группы: изменения, вызванные естественными биологическими и климатическими процессами: изменение границ ареалов лесной растительности, изменение характеристик древесно-кустарниковой растительности, трансформация одних категорий лесных и не лесных земель в другие; изменения вызванные антропогенной деятельностью: рубка и восстановление лесов, осушение, уход за лесом, строительство промышленных, жилых объектов и систем коммуникаций; изменения, вызванные лесными пожарами, причины которых бывают естественными (грозы, возгорание торфа, солнечная активность) и антропогенные. Изменения данной группы присущи всем лесам, но чаще проявляются в таежной зоне. изменения, вызванные неблагоприятными стихийными биологическими явлениями: повреждения насекомыми-вредителями, грибными болезнями, ветровалы, буреломы.

Наиболее опасными для окружающей среды являются бесконтрольная деятельность человека, лесные пожары, биологическая активность насеко6 мых-вредителей и некоторые другие факторы. Деление внешних факторов на естественные и антропогенные условно, так как они взаимосвязаны, а иногда взаимообусловлены. Так, например, вспышка биологической активности различных видов насекомых-вредителей приводит к усыханию и смерти лесных насаждений на обширных территориях, что является причиной для возникновения лесных пожаров (естественным путем или посредством антропогенной деятельности), которые уже, в свою очередь, уничтожают не только мертвую древесину, но и частично поврежденную, а также напочвенный покров.

В России, с ее огромными лесными территориями, уделяется большое внимание проблеме мониторинга лесов, т.е. их изучению, контролю за состоянием и использованием. Составной частью мониторинга лесов является слежение за их санитарно-патологическим состоянием. Из всей совокупности проблем, определяющих санитарно-патологическое состояние лесов, в диссертации уделяется внимание повреждениям, связанным с промышленными выбросами и воздействием насекомых-вредителей.

Традиционные методы слежения за санитарно-патологическим состоянием лесов, опирающиеся преимущественно на наземные методы и визуальное дешифрирование аэрофотоснимков, перестали удовлетворять современным требованиям мониторинга лесов и управления их развитием.

Развитие космических средств дистанционного зондирования (ДЗ) Земли, способных получать информацию о лесах в широком диапазоне длин волн электромагнитного спектра от видимых до сверхвысокочастотных, а также развитие компьютерных средств и ГИС-технологий позволяют разрабатывать принципиально новые методы оценки состояния лесов.

Цель работы. Основной целью работы является исследование и разработка метода оценки и картографирования повреждений лесов с использованием данных дистанционного зондирования и ГИС-технологии. 7

Объект исследований. Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение системы обработки космической информации для оценки повреждений лесов насекомыми-вредителями.

Методы исследований. В работе использованы методы спектрометриро-вания, цифровой обработки изображений и распознавания образов, математической статистики, цифровой картографии и геоинформатики.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертации заключается в получении следующих результатов: получены значимые оценки корреляции спектральных признаков и показателей состояния деревьев (возраст побегов и их ориентация относительно сторон света, степень повреждения и др.), а также содержания в хвое основных пигментов (хлорофиллов А и В, каротиноидов); разработан алгоритм анализа космических изображений, сочетающий методы классификации и линейную модель разделения спектральных смесей; разработан метод оценки степени дефолиации лесов, поврежденных насекомыми-вредителями, с использованием данных космической съемки и геоинформационной системы.

Практическая значимость и внедрение.

Разработанная методика распознавания классов повреждения хвойных пород на основе различных спектральных признаков использовалась для изучения экологической обстановки в лесных массивах Тимирязевской сельхозакадемии (г. Москва), произрастающих в условиях городской среды и на территории Истринского лесхоза Московской области, подверженных воздействию промышленных выбросов.

Метод оценки дефолиации лесов, разработанный в диссертации на основе алгоритмов автоматизированной обработки космических изображений, был использован для экспертной оценки последствий массового размножения сибирского шелкопряда в темнохвойных лесах Красноярского края, 8 проводимой в рамках проекта управления окружающей средой Российской Федерации, учрежденного Всемирным банком (Loan 3806-RU) и чрезвычайной программы контроля биологических вредителей в лесах Красноярского края.

Использование метода количественной оценки степени дефолиации лесов по данным космической многозональной съемки позволяет: объективизировать процесс и и повысить достоверность получения оценок повреждений лесного покрова за счет использования космических снимков и лесотаксационных данных в среде ГИС; сократить объемы выполнения аэрофотосъемочных работ за счет использования данных космической съемки и ГИС-технологии; более точно планировать и эффективно проводить мероприятия по борьбе с насекомыми-вредителями.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе, 3 статьи .

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, а также включает 28 рисунков и 14 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Аэрокосмические съемки, фотограмметрия, фототопография», Ершов, Дмитрий Владимирович

Выводы к IV главе.

В результате экспериментальных работ получены следующие основные результаты: собраны исходные лесотаксационные и картографические данные для формирования баз данных геоинформационной системы тестового участка; сформирован банк данных геоинформационной системы, включающий картографическую растрово-векторную основу масштаба 1:100,000, совмещенную картографическую и таксационную базу данных о лесном фонде, цифровые карты поврежденности лесов и карты проведения лесозащитных мероприятий; разработана методика оценки дефолиации лесных насаждений по спутниковым изображениям на основе алгоритмов, сочетающих методы традиционной классификации и метод декомпозиции спектральных смесей;

• проведено сравнение двух способов выделения тематических классов различных типов лесных участков;

• выполнена оценка разделимости спектральных сигнатур тематических классов с целью формирования чистых компонентов;

Рис. 4.9. Фрагмент карты поврежденности лесов по результатам обработки спутниковых данных.

114 выполнена предварительная и тематическая обработка спутниковых изображений SPOT, по результатам которой получены оценки степени дефолиации темнохвойных насаждений и построены карты повре-жденности лесов тестового участка; . проведена верификация результатов оценки степени дефолиации темнохвойных насаждений по спутниковым изображениям и сделаны выводы об эффективности их использования для картографирования повреждений лесов; Выполненный анализ спутниковых изображений SPOT позволяет сделать следующие выводы: спутниковые изображения дают принципиальную возможность иден-тифицикации участков различной степени повреждений лесов сибирским шелкопрядом; . на качественном уровне в большинстве случаев достигается хорошая согласованность пространственного расположения участков с максимальными повреждениями с картографическими данными, полученными в результате дешифрирования аэрофотоснимков; . анализ, выделенных с использованием геоинформационной системы по спутниковым изображениям, спектральных сигнатур различных типов лесных участков показывает возможность распознавания насаждений с преобладанием темнохвойных, светлохвойных и лиственных пород, открытых участков почвы и напочвенного покрова, а также насаждений с различной степенью повреждения шелкопрядом; . предложенная и экспериментально апробированная методика оценки по спутниковым изображениям степени дефолиации поврежденных шелкопрядом насаждений с использованием линейной модели спектральных смесей показала достаточно высокий уровень корреляции с результатами дешифрирования аэрофотоснимков.

115

Заключение.

Возрастающее понимание важности экологической лесов привлекает все большее внимание к проблеме их рационального использования, охраны и воспроизводства. Для решения этих задач требуется совершенствование методов получения информации о лесах. Традиционные методы слежения за санитарно-патологическим состоянием лесов не в полной мере способны предоставлять полноценную информацию для принятия последующих эффективных решений. Для улучшение этих методов необходимо применение более совершенных видов съемок и автоматизированных способов их обработки.

В настоящей работе проведены исследования повреждений лесов, связанные с промышленными выбросами и насекомыми-вредителями и получены следующие основные результаты:

1. Проведен анализ и систематизация мирового опыта применения данных наземного спектрометрирования и дистанционного зондирования для оценки санитарно-патологического состояния лесов.

2. Проведен анализ требований к информационному обеспечению и структуре ГИС, необходимому для оценки состояния лесов с использованием данных дистанционного зондирования.

3. Выполнен анализ морфологии спектральных кривых зеленых побегов хвойных насаждений различного состояния с помощью спектральных признаков на ранних стадиях повреждения промышленными выбросами и получены значимые коэффициенты корреляции между спектральными признаками и классами повреждений.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы подпиксельного анализа космических изображений, сочетающие методы классификации и линейную модель разделения спектральных смесей.

116

5. Разработан метод оценки степени дефолиации лесов, поврежденных насекомыми-вредителями с использованием данных сканерной съемки и геоинформационной системы.

По результатам исследований можно сделать ряд выводов.

Ранние изменения в состоянии древесных растений могут регистрироваться спектрометрами высокого разрешения (типа "Кварц-4"), а с помощью набора спектральных признаков можно получать качественную и количественную оценку этого состояния.

Исследования отраженного излучения вдоль вертикального градиента крон деревьев позволили получить всестороннее представление об этом процессе, а полученные знания применить для анализа космических многоспектральных снимков с изображениями хвойных лесов различной степени повреждения.

Полученные результаты экспериментальных работ показали достаточно высокую линейную корреляционную связь степени дефолиации со степенью усыхания (11=0,9), что свидетельствует о возможности применения метода для оценки поврежденности лесов с использованием сканерной космической информации.

Использование метода количественной оценки степени дефолиации лесов по данным космической многозональной съемки позволяет: объективизировать процесс и повысить достоверность получения оценок повреждений лесного покрова за счет использования космических снимков и лесотаксационных данных в среде ГИС; сократить объемы выполнения аэрофотосъемочных работ благодаря ря рациональному сочетанию аэрофотоснимков с данными космической съемки и ГИС-технологий; более точно планировать и эффективно проводить мероприятия по борьбе с насекомыми-вредителями.

117

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ершов, Дмитрий Владимирович, 1997 год

1. Александров В.В., Горский Н.Д. Алгоритмы и программы структурного метода обработки данных. // Л.: Наука, 1983, - 208 с.

2. Барталев С.А., Жирин В.М., Ершов Д.В. Сравнительный анализ данных спутниковых систем "Космос-1939", SPOT и Landsat TM при изучении бо-реальных лесов. // Исследование Земли из космоса. С. 101 -114. № 1. 1995.

3. Белов C.B. Аэрофотосъемка лесов. Л. : Изд-во АН СССР, 1959. - 219с.

4. Выгодская H. Н., Горшкова И. И. Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности. -Л.:Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

5. Гусев H.H., Синицын С.Г., Сухих В.И., Букин Н.И. Лесоустройство в СССР. М.: Лесная промышленность, 1981. - 328с.

6. Жирин В.М., Бахтинова Е.В. , Орлова О.Л. Оценка по спектрозональным аэрофотоснимкам санитарного состояния сосняков, поврежденных промышленными газами. // Лесное хозяйство. 1980 г., №11, с. 49-50.

7. Жирин В.М., Кропов П.А., Кукуев Ю.А. Исследование отражательной способности хвойных пород, поврежденных промышленными газами // Лесной журнал. 1978, - №2, с. 149-152.

8. Жирин В. М. Дистанционное зондирование при изучении динамики лесных экосистем за рубежом// Обзорн. информ. (Лесоводство и лесоразведение, вып.2.). -М.: ВНИИЦлесресурс, 1993. 40 с.

9. Инструкция по экспедиционному лесопатологическому обследованию лесов СССР. М.: Изд-во Гослесхоза СССР, 1983. - 181с.

10. Ю.Исаев A.C., Кондаков Ю.П. Принципы и методы лесоэнтомологического мониторинга// Лесоведение. 1986, №4, с 3 10.

11. Исаев А. С., Плешиков Ф. И. Основные направления исследований лесных ресурсов Сибири с помощью аэрокосмических средств// Исследование лесов аэрокосмическими методами. Новосибирск: Наука, 1987. С.З-9.118

12. Исаев A.C., Ряполов В.Я. Анализ ландшафтно-экологической приуроченности очагов сибирского шелкопряда с применением аэрокосмической съемки // Исследование таежных ландшафтов дистанционными методами. Новосибирск: Наука, 1979.

13. Исаев A.C. и др. Исследование лесов аэрокосмическими методами. -Новосибирск.: Наука, Сибирское отделение РАН, 1987, 208 с.

14. Исаев A.C., Сухих В.И. Аэрокосмический мониторинг лесных ресурсов // Лесоведение. 1986. - №6. - С. 11 -21.

15. Исаев A.C., Сухих В.И., Калашников E.H. и др. Аэрокосмический мониторинг лесов. -М.: Наука, 1991. 240 с.

16. Исаев A.C., Хлебопрос Р.Г., Недорезов Л.В., Кондаков Ю.Л. Киселев В.В. Динамика численности лесных насекомых. Новосибирск: Наука, 1964, с.224.

17. Кучко A.C. Аэрофотография и специальные фотографические исследования. -М.: Недра, 1988. 235 с.

18. Обзор санитарного состояния лесов. М.: Изд-во Росагросервис, 1994. -126с.

19. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высшая школа, 1989, 464 с.

20. Рожков A.C. Массовое размножение сибирского шелкопряда и меры борьбы с ним. М.: Наука, 1965. - 170 с.

21. Санитарные правила в лесах СССР. М.: Лесная промышленность, 1970.-16с.

22. Сухих В.И. Принципиальные основы организации работ по изучению лесного фонда страны // Лесное хозяйство. 1986 - №6. - с.48-53.

23. Сухих В.И., Синицын С.Е., Апостолов Ю.С. и др. Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. М.: Лесная промышленность, 1979.-288 с.119

24. Сухих В.М., Жирии В.М., Данюлис Е.П., Эльмаи Р.И. Дистанционное зондирование в лесном хозяйстве. М.: Изд-во ВО "Агропромиздат", 1989. - 224с.

25. Харин Н.Г. Дистанционные методы изучения растительности. М.: Наука, 1975, 132 с.

26. Свейн Ф., Дейвис Ш. Дистанционное зондирование: количественный подход // -М., Недра, 1983. 416 с.

27. Adams J.B., Smith М.О., Johnson Р.Е. Spectral mixture modeling: a new analysis of rock and soil types at the Viking Lander I site // Journal of geophysical research, 1986, N91. p. 8098 - 8112.

28. Dottevio C.L., Williams D.L. Sattelite technology: An improved means for monitoring forest insect defoliation // Journal of forestry, 1983,v.81, N1.- p. 30 -34.

29. Ekstrand S. Reflection of moderate damages on Norway spruce using Landsat TM and digital stand data // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, 1990, v. 52(2): p. 229 241.

30. Franklin S.E., Hudak J. Classification of Hemlock Looper defoliation from satellite imagery // North American insect work conference, 1991,182 p.

31. Hall F.G., Hulmmirich K.F., Goward S.N. Use of narrow-band spectra to estimate the fraction of absorbed photosynthetically active radiation, 1990.

32. Jasinski F. Estimation of subpixel vegetation density of natural regions using satellite multispectral imagery// IEEE Transactions on geoscience and remote sensing, 1996, v. 34(3): p. 229 241.

33. Kalshoven J.E., Dabney Ph.W. An airborne laser polarimeter system (ALPS) for terrestrial physics research // Proceeding of SPIE, 1988,v. 924. p. 33 - 35.

34. Leckie D.G. Factors affecting defoliation assessment using airborne multispectral scanner data.// Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1987, v. 53(2). p. 1665 - 1674.120

35. Mathie S., Berthod M., Leymarie P. Determination of proportions and entropy of land use mixing in pixels of a multispectral satellite „image.// IEEE Transactions on geoscience and remote sensing symposium (IGARSS 94), 1994. pp. 1154 - 1156.

36. Shimabukuro Y.E., Holben B.N. Linear mixing model applied to AVHRR LAC data // Int. J. Remote Sensing, 14, 11, 1993. pp. 2231-2240.

37. Williams D.L. A comparison of spectral reflectance properties at the needle, branch, and canopy level for selected conifer species.

38. Эпова В.И., Плешанов А.С. Зоны вредоносности насекомых-филлофагов азиатской России// Новосибирск, "Наука", Сиб. Издательская фирма РАН, 1995, 46 с.