Геоинформационные системы в лесном хозяйстве. Учебное пособие

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ ЛЕСОВ

3.1. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЛЕСОВ

Под дистанционным зондированием понимаются неконтактные методы получения информации о земной поверхности или ее недрах. Чаще всего под дистанционным зондированием подразумевают способы и методы, позволяющие получать изображение земной поверхности из космоса или с воздуха (т. е. аэрофото- и космическая съемка). Данные дистанционного зондирования, наряду с топографическими картами, составляют информационную основу ГИС-технологии.

Данные дистанционного зондирования Земли – это важнейший источник информации для тематических слоев в ГИС, особенно тех, которые содержат информацию о природной среде. Составление топографических и тематических (растительности, лесных, сельскохозяйственных, геологических, почвенных и др.) карт, создание городского и земельного кадастра сегодня немыслимы без этого источника информации.

Первые опыты воздушного фотографирования производились с воздушного шара над Петербургом во второй половине XIX в. В 1920-х гг. ХХ в. начинается применение черно-белых аэрофотоснимков для таксации леса, а аэровизуальных наблюдений − для проведения различных видов обследований лесов. С середины 1950-х гг. в практику лесных аэросъемок внедряются цветные спектрозональные аэрофотопленки.

В1970-е гг. специалистам лесного хозяйства России стали доступны материалы космической съемки с искусственных спутников Земли (ИСЗ) серии «Космос», «Метеор», «Метеор-Природа», «Ландсат MSS» и др., получаемых с помощью фотографических, сканерных и других съемочных систем.

Впоследующие годы в интересах лесоведения и лесного хозяйства исследовалась и использовалась в научных и практических целях информация с различных космических систем нового поколения («Ресурс-Ф», «Ресурс-О», пилотируемых станций «Салют» и «Мир», «Ландсат ТM», SPOT, NOAA, JERS, RADARSAT и др.), самолетные сканерные, телевизионные, радиолокационные (радарные) снимки.

31

В последние годы ведутся работы по исследованию информационных свойств и более широкому практическому применению космических фото и сканерных снимков высокого разрешения, в том числе получаемых с помощью систем национальной безопасности, материалов радиолокационной и микроволновой съемки, получают развитие самолетные цифровые, в том числе TV-съемки и т. п.

Методы дистанционного зондирования позволяют:

–получать единовременные материалы дистанционных съемок больших территорий лесного фонда;

–проводить съемочно-геодезические и таксационные работы при лесоустройстве (инвентаризации лесов) при сокращенном объеме трудоемких наземных работ;

–повышать точность таксационных и исследовательских работ за счет использования для характеристики лесов изображения верхнего полога лесонасаждений, недоступного при проведении наземных наблюдений;

–проводить изучение и оценку состояния лесов, произрастающих в труднодоступных и малообжитых районах страны;

–получать данные в формате карт любой проекции;

–организовывать слежение (мониторинг) за изменениями в состоянии лесного фонда, в том числе при охране лесов от пожаров, путем проведения повторного дистанционного зондирования;

–повышать эффективность затрат труда и денежных средств при проведении лесоинвентаризационных и лесообследовательских работ.

Аэрокосмические изображения – основной источник информации для поддержания данных ГИС в актуальном состоянии.

Из отечественных данных сегодня наибольший интерес пред-

ставляют цифровые изображения, полученные сканерами МСУ-Э и МСУ-СК (ИСЗ Ресурс-О). Эти данные принимаются в различных регионах России с использованием приемных станций фирмы СКАНЭкс (Москва, Курган, Красноярск, и др.). Данные МСУ-СК и МСУ-Э можно получать также на собственную станцию приема фирмы СКАН-Экс, покупать в фирме СКАН-Экс из архива, заказывать в НПО ПЛАНЕТА.

Для удобной и корректной работы с данными Российской космической системы Ресурс-О фирмой ДАТА+ разработан дополнительный модуль системы ERDAS IMAGINE. Модуль обеспечивает импорт данных многозональных цифровых сканеров МСУ-Э и МСУ-СК из форматов, получаемых с персональной станции приема СканЭР,

32

включая информацию о параметрах орбиты. ERDAS IMAGINE c дополнительным модулем расширения «Ресурс-О» обеспечивает привязку и трансформирование снимков в любую картографическую проекцию или в географические координаты на основе как данных баллистики, так и с использованием дополнительно определяемых пользователем наземных опорных точек. Возможна также калибровка изображения в процессе импорта. Обеспечивается выполнение радиометрической коррекции по алгоритмам, учитывающим специфику сенсоров.

Многоспектральный сканер высокого разрешения МСУ-Э имеет следующие технические характеристики:

а) рабочие диапазоны:

–0,5–0,6 мкм;

–0,6–0,7 мкм;

–0,8–0,9 мкм;

б) пространственная разрешающая способность в надире:

–45 м (поперек направления полета);

–34 м (вдоль направления полета);

в) радиометрическое разрешение составляет 8 бит; г) ширина полосы обзора – 45 км;

д) угол отклонения сектора обзора в направлении, перпендикулярном трассе ИСЗ: ± 30° может изменяться с дискретностью 2°;

е) скорость сканирования составляет 200 строк/с.

Данные, полученные со спутника Ресурс-О № 4, имеют более высокое разрешение – около 33 м).

Многоспектральный сканер среднего разрешения МСУ-СК: а) рабочие диапазоны:

–0,5–0,6 мкм;

–0,6–0,7 мкм;

–0,7–0,8 мкм;

–0,8–1,1 мкм;

–10,4–12,6 мкм (дополнительный ИК канал); б) пространственное разрешение:

–140 м (1–4 каналы),

–550 м (5-й канал);

в) радиометрическое разрешение 8 бит; г) ширина полосы обзора 600 км; д) скорость сканирования 12,5 строк/с.

Запуск РЕСУРС-О № 4 успешно проведен в июле 1998 г. На этом спутнике установлены усовершенствованные сканеры МСУ-Э

33

(разрешение 30 м) и МСУ-СК (с дополнительным каналом съемки в ИК-диапазоне).

Данные высокого разрешения с Российских ИСЗ, открытые для широкого круга пользователей, в основном, представляют собой архивные фотографические изображения (самые свежие данные – осень-зима 1997–1998 гг.). Информацию об этих данных и их сканировании можно узнать в ГЦ ПРИРОДА, ИНФОРМСПУТНИК и других организациях.

Спектрорадиометрическая съемка (Тематический картограф, США, SРОТ, Франция) обеспечивает разрешение 20–30 м в видимой

иближней ИК-части спектра, 80 м – в тепловом ИК-диапазоне. В настоящее время имеется возможность ежедневного получения изображений со спутника NОАА/АVНRR большой части Сибири, используя станции приема в Красноярске и Якутске. Зондирование выполняется в видимой, ближней и тепловой ИК частях спектра с пространственным разрешением 1 км. Следует указать на перспективность применения ИК-изображений для зонирования лесов по пожарной опасности и вероятности повреждения насекомыми: возникновение пожаров

ивспышек массового размножения насекомых контролируется климатическими факторами (индексы «сухости» и «теплообеспеченности»), информация о которых содержится в данных ИК-съемки. Открывающаяся возможность доступа к так называемой конверсионной съемке существенно улучшит информационное обеспечение ГИС. Перспективно микроволновое зондирование (разрешение на местности при съемке из космоса – 25 м), в частности для исследования гидрологического режима и продуктивности древостоев. На основе интерферометрии микроволнового излучения возможен анализ орографии территории (высота, крутизна, азимут). Сочетание различных видов съемки позволит обеспечить 80–90 % необходимой информации о состоянии лесного фонда.

3.2. МОНИТОРИНГ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Федеральным агентством лесного хозяйства в качестве обязательного условия предусмотрено функционирование системе мониторинга лесных пожаров, т. е. обеспечение систематического слежения за лесопожарной обстановкой, процессами возникновения и развития лесных пожаров, масштабами воздействия огня на лесные экосистемы, оценки состояния лесных горючих материалов, прогнозирования пожароопасных сезонов и периодов, внедрения новых методов обна-

34

ружения лесных пожаров [2; 6; 18]. Такая система, названная ИСДМ (Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров), была разработана в 2005 г. совместными усилиями «Рослесхоза», Международного института леса РАН, ЦЭПЛ РАН, Института космических исследований РАН, ФГУ «Авиалесоохрана», «Росгидромета».

Основная задача ИСДМ – содействовать управлению лесными пожарами на федеральном, региональном и местном уровнях.

Космический лесопожарный мониторинг зоны, активно не охраняемой наземными и авиационными средствами осуществляется в рамках информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ).

Территория земель лесного фонда Российской Федерации, на которой осуществляется космический мониторинг лесных пожаров, делится на два уровня: к первому уровню относятся территории, на которых возможно применение авиации для уточнения данных космического мониторинга. При этом протокол о лесном пожаре по данным авиационно-космического мониторинга составляется только после поступления уточненной информации о пройденной огнем площади. Ко второму уровню космического мониторинга относятся удалённые и труднодоступные территории, отчетность по которым формируется исключительно по данным космического мониторинга.

Основной задачей космического лесопожарного мониторинга является обеспечение органов управления лесного хозяйства в субъектах РФ оперативной информацией о лесопожарной обстановке.

Информационная система дистанционного мониторинга (ИСДМ). ИСДМ – Рослесхоз обеспечивает получение и автоматическое

направление отчетных форм на соответствующий Интернет-ресурс. Данные в ИСДМ делятся на две группы:

1)оперативные данные (результат детектирования температурных аномалий по данным прибора TERRA-MODIS), погрешность которых сильно зависит от характеристик горения и состояния атмосферы, прибор дает разрешение 250 м/пиксель;

2)уточнённые данные (выявление изменений по данным SPOT VEGETATION), которые практически не зависят от состояния атмосферы и поступают и обрабатываются с задержкой до 10–30 дней, прибор AVHRR дает разрешение 800 м/пиксель.

Оперативные спутниковые данные в зоне космического мониторинга второго уровня используются для общего учёта лесных пожаров и оценки лесопожарной обстановки.

35

Специфика обнаружения лесных пожаров по оперативным данным (MODIS) со спутников заключается в том, что пространственное разрешение (размер точки) спутникового снимка составляет приблизительно от 1×1 км (в середине полосы наблюдения) до 2×4 км (в точке на краю полосы наблюдения спутника). Несмотря на это, спутниковые приборы (MODIS, AVHRR) и алгоритмы обработки данных позволяют обнаружить области горения, значительно меньшие по площади. Однако погрешность определения координат точки горения, естественно, может достигать размера пиксела (точки) изображения (в редких случаях ошибка до 2–4 км).

Детектирование гарей (площадей пройденных огнем) осуществляется по уточненным данным со спутника SPOT (прибор VEGETATION). Технология обнаружения гарей и оценки ущерба отличается от технологии обнаружения пожаров. Обнаружение гарей после пожаров базируется на детектировании резкого уменьшения вегетации на территориях, на которых были ранее зарегистрированы «горячие точки». Для этого используется так называемый «коротковолновый вегетационный индекс», рассчитываемый по данным прибора VEGETATION спутника SPOT.

Пространственное разрешение прибора VEGETATION не превышает 1×1 км (как и у данных, использующихся для детектирования «горячих точек»). Но в отличие от них, гари малой площади (порядка десятков гектар) в большинстве случаев невозможно детектировать по спутниковым данным. В то же время, гари после больших пожаров, как правило, надежно детектируются используемыми алгоритмами. Однако, как и в случае «горячих точек», возникает погрешность

врасчете площади гарей по разным причинам, в том числе из-за:

–ограниченного пространственного разрешения снимков;

–затенения гарей облаками или дымами;

–неточностей в используемых картах растительности и т. п. Вся обработка данных производится автоматически. В связи с

этим возможны некоторые несоответствия между данными спутниковых наблюдений и данными оперативных служб. Это связано с тем, что процедура автоматического объединения и идентификации пожаров не во всех случаях может отработать так же, как при визуальном наблюдении с земли или с воздушного судна.

Например, большой пожар не наблюдался со спутников в течение какого-то времени (был закрыт облачностью). За это время зона горения могла значительно продвинуться и на очередном спутниковом снимке она может оказаться расположенной далеко от предыду-

36

щего контура пожара и не примыкать к нему. В результате этот «пожар в сеансе» будет автоматически идентифицирован как «новый пожар», хотя по данным ежедневных наземных авиационных наблюдений оперативные службы считают его одним и тем же пожаром.

В случае нескольких мелких пожаров, расположенных довольно плотно на ограниченной территории, они могут объединиться в ИСДМ в единый пожар, учитывая ограниченную пространственную точность спутниковых данных.

В силу указанных причин при разделении и объединении пожаров по спутниковым данным общее их количество за определенное время на данной территории по данным ИСДМ может отличаться от количества пожаров, зарегистрированных оперативными службами. Соответственно и площадь любого пожара в ИСДМ может не соответствовать данным наземных и авиационных наблюдений. Это, однако, никак не влияет на общую площадь, пройденную огнем.

Специфика наблюдения пожаров со спутников не позволяет с достаточной надежностью определить точный момент ликвидации пожара. Факт отсутствия «горячих точек» в зоне пожара на очередном снимке не может свидетельствовать о ликвидации пожара. Это также может быть по следующим причинам:

–пожар был закрыт облачностью или дымами;

–время и траектория пролета спутника не спутнику позволили увидеть пожар;

–неисправность приемной станции или помехи при приеме данных;

–автоматическая обработка пропустила «горячую точку» в зоне пожара;

–пожар затухает, горение слабое, его невозможно «увидеть» со спутника.

В силу этих ограничений в текущей схеме обработки данных

вИСДМ принят временной принцип ликвидации пожаров: если не было ни одного наблюдения пожара в течение определенного срока (10 дней), то пожар считается ликвидированным. Если же в течение этого срока появилось новое наблюдение пожара, то это наблюдение относится к тому же пожару.

Расчет площадей, пройденных огнем, базируется на информации о динамике пожаров по данным наблюдений со спутников, содержащейся в базе данных ИСДМ. Для расчета площадей используются контуры пожаров, полученные по результатам автоматической обработки спутниковых данных.

37

Однако точный расчет площадей представляет большую сложность, поскольку размер пиксела спутникового снимка не менее 1×1 км. При этом даже относительно небольшой лесной пожар может вызвать так называемую «засветку» пиксела на снимке. Это означает, что на пожарах малой площади (порядка нескольких десятков гектар) их площадь, рассчитанная напрямую по спутниковым данным, может быть завышена до 100–200 гектар. В то же время, для пожаров с большой пройденной огнем площадью погрешность определения площадей незначительна, поскольку неточность сказывается только на контуре пожара.

Для уточнения расчета площадей, пройденных огнем, в ИСДМ используются специально разработанные алгоритмы коррекции, позволяющие уменьшить влияние завышения площадей на относительно небольших пожарах.

Однако следует помнить, что погрешность расчета площадей, пройденных огнем, в случае небольших пожаров довольно значительна, и полученные площади не могут считаться точными. В то же время, значительные площади, пройденные огнем, определяются с достаточной точностью.

Таким образом, в ИСДМ при работе с площадями, пройденными огнем по спутниковым данным, следует иметь в виду следующие факты:

1)площади сравнительно небольших пожаров (порядка несколько десятков гектар) не могут быть определены сколько-нибудь точно. Значения площадей, приводимые в ИСДМ для таких пожаров, имеют скорее «сигнальный» характер, т. е. сигнализируют об обнаружении очага горения сравнительно небольшой площади;

2)площади средних пожаров (порядка 1000 гектар) определяются с большей точностью. Однако эти значения тоже нельзя считать полностью достоверными и следует использовать в качестве примерной оценки площади, пройденной огнем;

3)площади значительных пожаров (свыше нескольких тысяч гектар) в ИСДМ можно считать достаточно достоверно рассчитанными и соответствующими наблюдаемым со спутников пожарам. Возможная ошибка в этих площадях в большей степени может зависеть от погрешностей наблюдения (например, часть площади пожара скрыта облаками или дымами);

4)суммарные значения площадей, пройденных огнем, за весь пожароопасный период по значительным территориям (субъектам РФ, зонам ответственности авиабаз и т. д.), можно считать достаточно

38

точными. Это связано с тем, что наибольший вклад в суммарные площади дают крупные пожары, площади которых рассчитываются наиболее точно.

Картографическая информация формируется по данным лесопожарного мониторинга. По данным лесопожарного мониторинга ежедневно формируются карты горимости лесов. Карты строятся в конической проекции для всей территории России с нанесенными крупными городами, границами регионов и федеральных округов.

Карты формируются один раз в сутки и поступают на информационные сервера «Авиалесоохраны» между 9–10 часами по московскому времени.

Региональные продукты, созданные на основе обработки спутниковых данных строятся с разрешением 0,8 км/пиксел и 250 м/пиксел для регионов всей территории России. На карты в динамическом режиме наносят картографические слои с пунктами, границами регионов, авиабаз и т. д.

По каждому крупному лесному пожару формируется карточка, а по данным космического мониторинга и отчетам субъектов формируются сводные данные.

3.3.ОЦЕНКА ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЯ

Кчислу серьезных хозяйственных воздействий на состояние

ицелостность лесных экосистем бореальных лесов относятся рубки главного пользования. Вопросы прогноза и оценки лесовосстановительных процессов на вырубках всегда были и остаются одной из важных проблем лесоводства. Трудность их решения связана с разными причинами, в том числе со множеством условий, влияющих на эти процессы, неоднозначностью последующих изменений в растительном покрове и недоступностью получения достоверных сведений о происходящих пространственных изменениях в формирующемся лесном пологе.

Значительный прогресс может быть достигнут при применении материалов дистанционных съемок для получения оперативной информации о размещении и площадях сплошных рубок и лесов, на-

рушенных рубками. Однако получаемая информация нуждается в объективной оценке с точки зрения определения характера и темпов восстановления леса на этих площадях. Существенную роль в решении данной задачи может оказать организация для отдельных регионов аэрокосмического мониторинга по оценке лесовосстановления

39

и создание на основе его данных геоинформационных и экспертных систем.

Задачами ведения мониторинга бореальных лесов, нарушенных рубками, являются:

–оценка состояния лесовосстановления на вырубках разных сроков давности с определением стадии формирования древесного полога, его породной и возрастной структуры на конкретный момент;

–определение во времени и пространстве динамики лесовосстановления, прогноза развития этого процесса;

–включение сведений о состоянии лесовосстановления на вырубках в базовый мониторинг лесов и систему экологических данных.

Технологическая схема оценки послерубочных экосистем реализует многоуровневый вариант получения информации с помощью дистанционных средств. Космический уровень наблюдений основан на спектрозональных фотоснимках. Детальный уровень слежения обеспечивается данными, получаемыми при обработке материалов крупномасштабной аэрофотосъемки. Оперативная оценка состояния лесовосстановления вырубок возможна по материалам видеосъемки.

По материалам космической съемки выделяют страты, характеризующиеся сходными процессами лесовосстановления при анализе следующих дешифровочных признаков: цвета и оттенка изображения, его рисунка (структуры и текстуры), характера границ, форм контуров, положения в рельефе.

При формировании схемы дешифрирования классов земель реализуется принцип структурного единства территории, отображенной на фотоснимке и обладающей как природными, так и антропогенными характеристиками.

Фотофизиономическая (т. е. отражающаяся на снимках) однородность природно-антропогенных контуров служит фактором дифференциации территории и выделения следующих 5 классов послерубочных экосистем со сходным характером возобновления:

–свежие и невозобновившиеся вырубки;

–свежие вырубки с сохраненным подростом;

–возобновившиеся вырубки с преобладанием хвойных пород;

–возобновившиеся вырубки с преобладанием лиственных пород;

–средневозрастные насаждения, сформировавшиеся после рубки. При аналитическом дешифрировании среднемасштабной аэро-

фотосъемки (или обзорной видеосъемки) можно определить степень сохранности потенциальных источников лесовосстановления, про-

40