для каких целей используется аэрокосмический мониторинг лесных массивов
Аэрокосмический мониторинг лесов. Система лесного мониторинга и постоянные пункты учета
В Беларуси разработана система мониторинга лесов, функционирует более 1500 постоянного пункта лесного мониторинга, где определяется дефолиация и дехромация насаждений, разработана система АКМ лесов.
Одной из задач дистанционного зондирования является мониторинг исследуемых ресурсов. Лесной мониторинг включает в себя три уровня обследований. В Беларуси на базе ЛРУП «Белгослес» создана многоуровневая система аэрокосмического мониторинга лесов.
Первый (верхний) уровень – космическая съемка. Исследование земной поверхности с большой высоты, вследствие чего малое разрешение, но возможность обозревать большие территории и контролировать большие площади лесных земель. Прием и обработка космических снимков ведется с использованием станций приема космической информации УНИСКАН.
Второй (средний) уровень – аэрообследование лесных массивов, аэрофотосъемка. На данном этапе проводится более полное обследование лесных территорий в лесоустроительных, лесозащитных или других целях. Зондирование ведется с использованием авиационного аппаратно-програмного комплекса ВСК-2. По данным таких обследований можно судить обо всех изменениях в лесной растительности и проводимых лесохозяйственных мероприятиях, контролировать уровень их выполнения.
Третий (наземный) уровень – натурные обследования, проведение лесоустроительных работ на территории лесхозов, лесопатологических и других обследований лесных территорий, использование данных геоинформационной системы «Лесные ресурсы». Кроме этого, используются наземные методы лесного мониторинга с получением данных наблюдений на постоянных пунктах учета, материалов выборочной таксации древостоев на эталонно-калибровочных участках.
Совместное использование трех уровней мониторинга позволяет с максимальной точностью и наименьшими затратами проводить обследования лесных массивов и получать лесоустроительную информацию.
Созданная система решает следующие задачи:
– разработка системы классификации спектральных изображений по космическим снимкам с привязкой к ГИС «Лесные ресурсы»;
– сканирование полога леса и спектрометрические характеристики лесных площадей с использованием авиационного ВСК-2;
– построение тематических лесных карт на основе аэрокосмических и спектрометрических изображений, ГИС «Лесные ресурсы»;
– адаптация полученных результатов в Информационной системе управления лесным хозяйством Беларуси (ИСУЛХ).
Для методического и технологического обеспечения деятельности станции приема космической информации в течение 1998–2001 гг. отработана система компьютерной обработки многозональных космических снимков для получения состояния, динамики и прогноза лесов Беларуси. Для чего были использованы снимки со спутников «Ресурс», «Алмаз», «Океан», «Spot», «Landsat 7 ЕТМ+» и Terra – системы Aster высокого разрешения (15 м) и Modis среднего разрешения (250 м).
Результатами компьютерной обработки космических изображений явилась серия тематических карт: ресурсной оценки ущерба лесам пожарами, ураганами, массовыми усыханиями еловых и сосновых насаждений и других.
В начале апреля 2002 г. на базе УП «Белгослес» установлена региональная станция приема космической информации (аппаратно-програмный комплекс УНИСКАН). В настоящее время осуществляется прием, архивирование и тематическая обработка космических снимков высокого разрешения с ИСЗ Метеор 3М (Россия) и Terra (система Modis) среднего разрешения США.
Возможность постоянно обновлять космическую информацию в качестве обобщающей для контроля за изменениями в лесном фонде делает мониторинг непрерывным. Изменения, обнаруженные на космических снимках, могут быть перепроверены с помощью натурных или авиационных обследований, при необходимости вносятся изменения в картографические и лесоустроительные материалы.
Система сбора и обработки данных представляет собой систематизированную совокупность приемов и операций, которые необходимо выполнить для практической реализации многоуровневого аэрокосмического мониторинга лесов Беларуси.
Технологический регламент системы сбора и обработки данных включает 6 этапов.
1. Получение и обработка космических снимков.
Полученные с космических спутников серии «Landsat», «Terra» «Ресурс» и другие снимки подвергаются аналогово-компьютерной обработке, осуществляются различные преобразования информации (цветовое кодирование, многократное увеличение изображения, улучшение резкости и контраста, подбор определенных сочетаний спектральных зон и т.д. с помощью программ CorelPhoto-Paint, Photoshop, ER-Mapper, GeoMediaProfessional).
Выявляются территории, подверженные воздействию биологических или антропогенных факторов.
2. Подготовка к проведению сканирования лесов и авиационных измерений:
1) определение участков для обследования;
2) анализ информации по намеченным участкам, имеющимся в базе данных ГИС «Лесные ресурсы». Запрос и анализ имеющейся дополнительной наземной информации по обследованию намеченных территорий у подразделений Минлесхоза (РПП «Беллесозащита», ЛРУП «Белгослес»);
3) определение параметров видеоспектральных измерений, выбор зон спектра (в зависимости от решаемых задач) для аэросъемки и порядка смены фильтров в полете, необходимого пространственного разрешения, ширины захвата кадра на местности, процента перекрытия кадров вдоль трассы и перекрытия трасс;
4) определение навигационных параметров полетов, установление высоты и скорости авианосителя (вертолета), направления и протяженности трасс полетов; удаление трасс друг от друга;
5) оформление маршрутной картосхемы, нанесение маршрутов полетов на изображения выделов с намеченными территориями съемок, использование дополнительной текстовой и цифровой информации (дата, параметры съемок и т.п.).
3. Проведение авиационных измерений: ознакомление штурмана с маршрутной картосхемой; установка съемочной аппаратуры на борт носителя; проведение видео- и спектральных съемок в соответствии с инструкцией, периодический контроль режимов съемки.
4. Предварительная обработка данных:
1) перенос полученных видеоспектральным комплексом ВСК-2 данных на стационарный комплекс обработки;
2) привязка спектров и изображений к навигационным данным с помощью GPS;
3) обработка спектров; обработка изображений БСПС (блок спектрозонально-поляризационной съемки);
4) спектральная и пространственная подвыборки, преобразование видеоформата.
5. Тематическая обработка данных: тематическая обработка спектров; тематическая обработка изображений.
6. Составление единого банка данных:
– построение картосхем и вывод их на печать;
– построение карт-изображений, представляющих собой изображение-мозаику с наложенными на него картографическими элементами;
– занесение полученной спектральной и видеоинформации, а также данных наземных исследований после обработки в соответствующие разделы банка данных (космических, авиационных, наземных в ГИС) в виде спектров, изображений, карт-изображений и векторных слоев с «привязанными» к ним записями в базе данных и необходимой сопутствующей информацией.
С запуском белорусского космического спутника обновление данных для мониторинга значительно ускорится, сократятся сопутствующие затраты, увеличится разрешающая способность поступающих материалов.
Стратегический план развития лесного хозяйства Республики Беларусь до 2015 года.
Исходя из этих организационно-правовых предпосылок в 1997 г. разработан «Стратегический план развития лесного хозяйства Беларуси». Как и концепция, он охватывает перспективу до 2015 г. Этот документ является продуктом международного сотрудничества. В его разработках, наряду со специалистами Беларуси, приняли участие консультанты из Финляндии и Швеции, работавшие за счет гранта, выделенного правительством этих стран. Международное сотрудничество позволило составить стратегический план развития лесного хозяйства с учетом не только отечественного, но и международного опыта таких государств Европы, как Германия, Польша, Швеция, Финляндия, Литва, Латвия.
Основная цель проекта — улучшение условий жизни людей в экономическом и экологическом аспектах. Экономические цели достигаются посредством развития рыночных отношений и совершенствования организационно-экономических основ хозяйствования, а экологические — усилением средозащитных и средообразующих функций лесов, сохранением биоразнообразия природы.
Стратегический план и Лесной кодекс Беларуси должны способствовать научно обоснованному комплексному использованию лесов, их охране, защите и воспроизводству исходя из принципов постоянства, неистощимости и относительной равномерности лесопользования, сохранения генетического фонда, видового и ландшафтного разнообразия лесов, повышения их экологического и ресурсного потенциала, воспитания людей в духе бережного отношения к лесу как важной составной части национального богатства страны.
Для каких целей используется аэрокосмический мониторинг лесных массивов
Сейчас у нас леса занимают значительные территории (приблизительно 70%), соответственно задача контроля их является достаточно актуальной, и для решения ее можно успешно использовать космические снимки [1,3]. Как известно, космические снимки среднего разрешения спутника Ресурс (МСУ-СК), используются для выявления крупных, наиболее нарушенных хозяйственной деятельностью, территорий. Они дают возможность достоверно выявлять по спектрозональным снимкам среднего (около 150 м/пиксель) разрешения.
Космические снимки высокого разрешения (15–35 м/пиксель – LandsatETM+, Ресурс МСУ – Э, SPOTHRV) используются для детального выявления изучаемых территорий на нарушение лесных площадей.
Исследования показали, что главным препятствием в решении задачи получения достоверных данных о степени нарушения природных ландшафтов на основании картографических материалов являются следующие утверждения.
1. На данный момент отсутствуют общегеографические и топографические карты, которые верно отражали бы состояние исследуемых территорий.
2. Отсутствуют достоверные картографические материалы на некоторые категории лесов, раз в 10 лет составляются лесные карты, причем не всюду, велика доля ошибок при составлении лесных карт. Исходя из сказанного, можно прийти к выводу, что оперативная карта составления лесов по стране достаточно детального масштаба по материалам лесоустройства и государственного учета лесного фонда не может быть составлена.
3. Зачастую хозяйственные карты не объективны из-за приписок, например, не существующих дорог или хозяйственных объектов.
Итак, если использовать только общегеографические карты или только космические снимки среднего разрешения, то невозможно получить достоверные и детальные данные при изучении лесов. А использование космических снимков высокого разрешения невозможно по причине высокой стоимости и отсутствия безоблачных снимков летнего периода на отдельных участках.Более того, на данные аэрокосмических исследований воздействуют следующие факторы: сезонность, атмосфера, освещенность и т.д. Это, в первую очередь, воздействует на значения спектральных яркостей элементов изображения. По определению, спектральные яркости элементов изображения – это главный признак, который необходимо использовать при распознавании и выявлении изменений на исследуемых территориях. Чтобы избежать подобных ситуаций, можно воспользоваться способами подобными атмосферной коррекции, нормирования, создания индексных изображений и эти процедуры, как правило, осуществляются во время съемки [3].
Контроль рубки лесов методом ДЗЗ
Исследуем спектральную отражательную способность лесных насаждений и кустарников. Кривые отражения их классифицируются следующим образом. Все кривые отражения лесных насаждений и кустарников разделены на четыре типа [3].
1. Отражательная способность незначительно возрастает от фиолетового к красному концу спектра, оставаясь почти без изменений на всем протяжении области ИК – спектра, сохраняя тот уровень, который был достигнут на красном участке.Это означает, что кривые данного типа соответствуют нейтрально серому фону с чуть заметным желтоватым или буроватым оттенком. Этот тип характерен для лиственных пород леса в зимний период времени. Более темные оттенки характеризуют березу и лиственницу молодых древостоев. Более светлые – характеризуют дуб молодого древостоя, далее рассматривается липа спелого древостоя и осина молодого древостоя. Наиболее светлый оттенок в этот период соответствует березе спелого древостоя.
2. Около длины волны 550 нм виден слабый максимум, что означает довольно низкий уровень отражательной способности во всей видимой области спектра.В ближней области ИК-спектра отражательная способность повышенная, но является невысокой для растительных образований. Кривые второго типа соответствуют темно-зеленому малонасыщенному фону. В этот период это характерно для хвойной породы лесов в зимний период. Самой темной является сосна спелого древостоя, коэффициент яркости которой равен даже в максимуме (550 нм) лишь 0,21. Поэтому сосну относят к самым темным природным образованиям.
3. Отражательная способность в видимой области спектра заметно выше, чем в предыдущем типе. Она остается в общем невысокой. Максимум в желто-зеленых лучах (550 нм), обусловленный насыщенной зеленой окраской растительности, выражен значительно резче.
Отражательная способность в ближней области ИК – спектра, начиная с 700 нм, резко возрастает и остается высокой на всем протяжении этой области. К этому типу относятся древостои лиственных пород в период вегетации с молодой листвой и хвойные породы – с молодой хвоей. По мере развития молодой листвы и хвои (фаза «полный лист») насаждения несколько темнеют, хотя ход по спектру остается более или менее одинаковым.
В фазе «поздняя зелень» отражательная способность лиственных пород снова становится высокой и притом более высокой, чес в фазе «молодой лист». То есть до наступления осенней раскраски лиственные леса светлеют, а хвойные породы, наоборот, становятся более темными, приближаясь к зимнему виду.
Отражательная способность лесов в ближней области ИК – спектра, начиная с 700 нм, оказывается различной у разных пород. Самыми темными являются сосна и ель, более светлые – береза и осина.
4. Отражательная способность остается в диапазоне 400–500 нм такой же, как и в предыдущем типе, однако возрастает в красном и ближнем участках ИК – спектра. Кривые четвертого типа соответствуют оранжево-красному фону и осенней раскраске всех лиственных лесов.
На рис.1 изображены типичные спектральные кривые отражения лесных насаждений.
Рассмотрим возможности анализа космических снимков применительно к лесу.
Для определения экономического ущерба необходимо выбрать систему показателей, с помощью которых можно проводить временной сравнительный анализ [3]. Это:
Для примера рассмотрим состояние лесных угодий Домодедовского района Московской области по показателю «вырубленный лес» (рис. 2). Алгоритм исследования заключается в следующем. На растровую карту района 1980 г. наносятся различные виды растительности, выделенные с космического снимка с помощью специализированного программного обеспечения и дешифровки по спектральным кривым. Различные типы лесной растительности нанесены на карту разными цветами.
После сравнения с картой видна часть местности, на которой по сравнениюс1980 г. лесная растительность отсутствует. Площадь лесной растительности различного типа, площадь участка с вырубленной по сравнению с 1980 г. растительности можно определить как в площадных единицах, так и в процентном отношении.
Рис. 2. Состояние лесных угодий в северной части Домодедовского района по сравнению с данными за 1980 г.
На рис. 3представлен дешифрованный снимок территории Коми-Пермяцкого АО, полученный с КА «TERRA». С помощью специального программного обеспечения и метода кластерного анализа произведено разделение растительности по различным типам, которые обозначены на снимке разными цветами. Итак, определена площадь различных типов растительности. Таким образом, можно определить и качество использования земель.
Рис. 3. Карта – схема состояний лесной растительности на территории Коми-Пермяцкого АО по данным КА «TERRA»
На рис. 4 приведен пример контроля рубки лесов методом дистанционного зондирования Земли; с помощью специального программного обеспечения и методов дешифровки по спектральным кривым выявлены вырубки различной степени давности и совмещены с растровой картой. Вырубки разделены на – свежие и старые. Очевидно, что часть свежих вырубок уже заросла травой и кустарником, другая часть – подлеском. В правом верхнем углу рисунка представлена часть снимка, обработанного с использованием метода кластерного анализа.
Это позволило определить площадь вырубок различной давности, а также, используя более ранние снимки, определить типы растительности, росшей на этих местах и их площадь, как в площадных единицах, так и в процентах.
Рис. 6 наглядно иллюстрирует эффективность контроля вырубки лесов описываемым методом. На левой части рисунка дано исходное космическое изображение части территории Архангельской области, на правой – дешифрованный снимок, на котором разными цветами обозначены различные природные объекты. Выделены прошлогодние и свежие вырубки, а также более старые вырубки, заросшие вторичными лесами.
Анализ снимков позволяет определить площадь территории, на которой вырублены леса в различные промежутки времени, а также, используя более ранние снимки, определить типы растительности, росшей на этих местах и их площадь.
Рис. 6. Контроль рубки леса (Архангельская область)
Рецензенты:
Заалишвили В.Б.,д.ф.-м.н., профессор, директор ФГБУН Центра геофизических исследований, г. Владикавказ;
КусраевА. Г.,д.ф.-м.н.,профессор, директор Института прикладной математики и информатики, г. Владикавказ.
Аэрокосмический мониторинг лесов. Система лесного мониторинга и постоянные пункты учета
В Беларуси разработана система мониторинга лесов, функционирует более 1500 постоянного пункта лесного мониторинга, где определяется дефолиация и дехромация насаждений, разработана система АКМ лесов.
Одной из задач дистанционного зондирования является мониторинг исследуемых ресурсов. Лесной мониторинг включает в себя три уровня обследований. В Беларуси на базе ЛРУП «Белгослес» создана многоуровневая система аэрокосмического мониторинга лесов.
Первый (верхний) уровень – космическая съемка. Исследование земной поверхности с большой высоты, вследствие чего малое разрешение, но возможность обозревать большие территории и контролировать большие площади лесных земель. Прием и обработка космических снимков ведется с использованием станций приема космической информации УНИСКАН.
Второй (средний) уровень – аэрообследование лесных массивов, аэрофотосъемка. На данном этапе проводится более полное обследование лесных территорий в лесоустроительных, лесозащитных или других целях. Зондирование ведется с использованием авиационного аппаратно-програмного комплекса ВСК-2. По данным таких обследований можно судить обо всех изменениях в лесной растительности и проводимых лесохозяйственных мероприятиях, контролировать уровень их выполнения.
Третий (наземный) уровень – натурные обследования, проведение лесоустроительных работ на территории лесхозов, лесопатологических и других обследований лесных территорий, использование данных геоинформационной системы «Лесные ресурсы». Кроме этого, используются наземные методы лесного мониторинга с получением данных наблюдений на постоянных пунктах учета, материалов выборочной таксации древостоев на эталонно-калибровочных участках.
Совместное использование трех уровней мониторинга позволяет с максимальной точностью и наименьшими затратами проводить обследования лесных массивов и получать лесоустроительную информацию.
Созданная система решает следующие задачи:
– разработка системы классификации спектральных изображений по космическим снимкам с привязкой к ГИС «Лесные ресурсы»;
– сканирование полога леса и спектрометрические характеристики лесных площадей с использованием авиационного ВСК-2;
– построение тематических лесных карт на основе аэрокосмических и спектрометрических изображений, ГИС «Лесные ресурсы»;
– адаптация полученных результатов в Информационной системе управления лесным хозяйством Беларуси (ИСУЛХ).
Для методического и технологического обеспечения деятельности станции приема космической информации в течение 1998–2001 гг. отработана система компьютерной обработки многозональных космических снимков для получения состояния, динамики и прогноза лесов Беларуси. Для чего были использованы снимки со спутников «Ресурс», «Алмаз», «Океан», «Spot», «Landsat 7 ЕТМ+» и Terra – системы Aster высокого разрешения (15 м) и Modis среднего разрешения (250 м).
Результатами компьютерной обработки космических изображений явилась серия тематических карт: ресурсной оценки ущерба лесам пожарами, ураганами, массовыми усыханиями еловых и сосновых насаждений и других.
В начале апреля 2002 г. на базе УП «Белгослес» установлена региональная станция приема космической информации (аппаратно-програмный комплекс УНИСКАН). В настоящее время осуществляется прием, архивирование и тематическая обработка космических снимков высокого разрешения с ИСЗ Метеор 3М (Россия) и Terra (система Modis) среднего разрешения США.
Возможность постоянно обновлять космическую информацию в качестве обобщающей для контроля за изменениями в лесном фонде делает мониторинг непрерывным. Изменения, обнаруженные на космических снимках, могут быть перепроверены с помощью натурных или авиационных обследований, при необходимости вносятся изменения в картографические и лесоустроительные материалы.
Система сбора и обработки данных представляет собой систематизированную совокупность приемов и операций, которые необходимо выполнить для практической реализации многоуровневого аэрокосмического мониторинга лесов Беларуси.
Технологический регламент системы сбора и обработки данных включает 6 этапов.
1. Получение и обработка космических снимков.
Полученные с космических спутников серии «Landsat», «Terra» «Ресурс» и другие снимки подвергаются аналогово-компьютерной обработке, осуществляются различные преобразования информации (цветовое кодирование, многократное увеличение изображения, улучшение резкости и контраста, подбор определенных сочетаний спектральных зон и т.д. с помощью программ CorelPhoto-Paint, Photoshop, ER-Mapper, GeoMediaProfessional).
Выявляются территории, подверженные воздействию биологических или антропогенных факторов.
2. Подготовка к проведению сканирования лесов и авиационных измерений:
1) определение участков для обследования;
2) анализ информации по намеченным участкам, имеющимся в базе данных ГИС «Лесные ресурсы». Запрос и анализ имеющейся дополнительной наземной информации по обследованию намеченных территорий у подразделений Минлесхоза (РПП «Беллесозащита», ЛРУП «Белгослес»);
3) определение параметров видеоспектральных измерений, выбор зон спектра (в зависимости от решаемых задач) для аэросъемки и порядка смены фильтров в полете, необходимого пространственного разрешения, ширины захвата кадра на местности, процента перекрытия кадров вдоль трассы и перекрытия трасс;
4) определение навигационных параметров полетов, установление высоты и скорости авианосителя (вертолета), направления и протяженности трасс полетов; удаление трасс друг от друга;
5) оформление маршрутной картосхемы, нанесение маршрутов полетов на изображения выделов с намеченными территориями съемок, использование дополнительной текстовой и цифровой информации (дата, параметры съемок и т.п.).
3. Проведение авиационных измерений: ознакомление штурмана с маршрутной картосхемой; установка съемочной аппаратуры на борт носителя; проведение видео- и спектральных съемок в соответствии с инструкцией, периодический контроль режимов съемки.
4. Предварительная обработка данных:
1) перенос полученных видеоспектральным комплексом ВСК-2 данных на стационарный комплекс обработки;
2) привязка спектров и изображений к навигационным данным с помощью GPS;
3) обработка спектров; обработка изображений БСПС (блок спектрозонально-поляризационной съемки);
4) спектральная и пространственная подвыборки, преобразование видеоформата.
5. Тематическая обработка данных: тематическая обработка спектров; тематическая обработка изображений.
6. Составление единого банка данных:
– построение картосхем и вывод их на печать;
– построение карт-изображений, представляющих собой изображение-мозаику с наложенными на него картографическими элементами;
– занесение полученной спектральной и видеоинформации, а также данных наземных исследований после обработки в соответствующие разделы банка данных (космических, авиационных, наземных в ГИС) в виде спектров, изображений, карт-изображений и векторных слоев с «привязанными» к ним записями в базе данных и необходимой сопутствующей информацией.
С запуском белорусского космического спутника обновление данных для мониторинга значительно ускорится, сократятся сопутствующие затраты, увеличится разрешающая способность поступающих материалов.
Стратегический план развития лесного хозяйства Республики Беларусь до 2015 года.
Исходя из этих организационно-правовых предпосылок в 1997 г. разработан «Стратегический план развития лесного хозяйства Беларуси». Как и концепция, он охватывает перспективу до 2015 г. Этот документ является продуктом международного сотрудничества. В его разработках, наряду со специалистами Беларуси, приняли участие консультанты из Финляндии и Швеции, работавшие за счет гранта, выделенного правительством этих стран. Международное сотрудничество позволило составить стратегический план развития лесного хозяйства с учетом не только отечественного, но и международного опыта таких государств Европы, как Германия, Польша, Швеция, Финляндия, Литва, Латвия.
Основная цель проекта — улучшение условий жизни людей в экономическом и экологическом аспектах. Экономические цели достигаются посредством развития рыночных отношений и совершенствования организационно-экономических основ хозяйствования, а экологические — усилением средозащитных и средообразующих функций лесов, сохранением биоразнообразия природы.
Стратегический план и Лесной кодекс Беларуси должны способствовать научно обоснованному комплексному использованию лесов, их охране, защите и воспроизводству исходя из принципов постоянства, неистощимости и относительной равномерности лесопользования, сохранения генетического фонда, видового и ландшафтного разнообразия лесов, повышения их экологического и ресурсного потенциала, воспитания людей в духе бережного отношения к лесу как важной составной части национального богатства страны.