Радиолокация / Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007 - Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие

Таблица 18. Показатели значимости и достоверности различия выделения различных классов лесного покрова по спутниковым снимкам JERS-1

в различных волновых диапазонах

Условные обозначения: × – различия не значительны и недостоверны;

{ – различия значительны и достоверны.

121

Таблица 19. Классификация типов лесного покрова и категорий земель

122

DSC 1 с CCD матрицей размером 5000×3000 элементов (15 млн. пикселей) в

истинных цветах (True Color), обеспечивающей разрешение на местности с высоты 300 м 5–7 см при размере кадра 200 м вдоль направления полета и 100 м

поперек.

Основные технические характеристики сканера ALTM 3100 приведены в таблице 20.

Система ALTM 3100 изначально разрабатывалась для производства воздушных топографических съемок земной поверхности и создания крупномасш-

табных планов местности.

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, принцип работы системы лазерного сканирования леса достаточно прост. Импульсный лазер оптически

совмещен с главным лепестком диафрагмы направленности антенны, которая сканирует лазерным лучом полосу местности обычно в направлении полета

самолета, на котором установлена ALTM. Время отражения лазерного луча от земли и лесной растительности измеряется и приводится к скорости света. Положение самолета при каждом измерении фиксируется с помощью Глобальной

Системы Позиционирования (GPS). Вращательные движения главного лепестка антенны определяются креном самолета, угол наклона и направление которого определяются инерционной навигационной системой, с ее помощью вычисляются векторные значения от самолета до земли. Когда эти значения суммируются с текущим местоположением самолета, мы получаем истинные координаты точек отражения на поверхности земли и различных частей деревьев (Мед-

ведев, 2003).

В настоящее время в промышленности доступны лазеры, изготовленные из твердотельных элементов, которые могут излучать 100 тысяч и более импульсов в секунду, длительностью в несколько наносекунд.

Свет распространяется приблизительно на 30 сантиметров за одну нано-

секунду (1 сек. = 109 наносекунд). Точно рассчитывая время распространения

импульсов света от лазера до отражающей поверхности и обратно, можно определить расстояние от лазера до поверхности с точностью до одного сантиметра. Ошибки в определении местоположения и ориентации самолета, угловые лепестки диаграммы направленности, атмосферная рефракция и другие

помехи ухудшают точность измерения координат точек отражения до 5–10 сан-

тиметров. Ширина сканируемой полосы местности (за один проход) зависит от угла сканирования лазерного дальномера и высоты полета самолета. Обычно скорость самолета составляет от 200 до 250 километров в час (55–70 метров в секунду), а высота – от 80 до 3500 метров, угол сканирования может достигать 20 градусов, частота – от 33 до 100 тысяч зондирующих импульсов в секунду. Эти параметры могут варьироваться для достижения точности измерения коор-

динат местности порядка 10–20 сантиметров, что достаточно для создания цифровой модели местности (ЦММ) и выбора технических решений при проек-

тировании и создании различных инженерных объектов, топографических и лесных карт, планов и схем, освидетельствовании вырубок и гарей и многих других задач.

Навигационное обеспечение осуществляется за счет использования бортовых GPS приемников Trimble 750, синхронно работающих с наземной базовой станцией Z-12 Ashtech (рис. 67) и инерциальной системой на основе оптических гироскопов и акселерометров.

Материалы съемки обрабатываются сразу же на борту летательного аппарата, в дальнейшем – в камеральных условиях с помощью специальных прог-

123

Таблица 20. Основные технические параметры лазерных сканеров,

используемых для съемки леса

124

Выходные данные

Курс полета наносится на топографические карты масштаба 1:100000– 200000. На жесткий диск портативного компьютера записываются данные лока-

ции:

а) расстояние маршрута полета в метрах;

б) показатели широты и долготы точек съемки в системе WGS84 или UTM; в) оригинал полосы сканирования с отметками высоты поверхности земли

и отметки полога лесной растительности над уровнем моря в метрах;

г) высота полога лесной растительности, включая подрост, подлесок и тра-

вяной покров в метрах;

д) время съемки по приемнику GPS с точностью до секунды. Параметрические характеристики каждой точки локации (100 точек на 1 по-

гонный метр профиля) табулируются и разбиваются на колонки данных по

пунктам для каждой точки в формате данных ASCII или любом другом цифро-

вом формате представления и с последующей статистической обработкой массивов данных (табл. 21).

Таблица 21. Пример исходных табулированных данных лазерной съемки

Для расширения номенклатуры собираемых данных и обеспечения ком-

плексности и максимальной информативности получаемой информации фор-

мируются так называемые «многосенсорные» аэросъемочные системы, которые включают «тематические сенсоры» – тепловизоры, работающие в спектральном диапазоне 3–5 мкм, для оценки температурного режима и степени по-

125

жарного созревания лесной растительности (точность дистанционного измерения температурного градиента ±0.01°С) и спектрозональные сканеры высокого разрешения для оценки степени нарушенности лесного покрова. Максимальный

информативный эффект достигается, когда тепловая и спектрозональная съемки выполняются в синхронном режиме с лазерной, радарной, фото- и видеосъемкой и спутниковым геопозиционированием (Данилин и др., 2005).

При дистанционном мониторинге лесного покрова обычно проводится съемка трансекты, представленной различными типами лесной растительности и

элементами рельефа. На протяжении трансекты для наземной верификации закладываются пробные площади (по принципу репрезентативного представительства типов местообитаний и лесной растительности), на которых проводят-

ся измерения параметров насаждений с получением детальной таксационной характеристики и взятием модельных деревьев по принципу ступенчатого пред-

ставительства, что важно для корректной оценки биомассы.

Наземные измерения на пробных площадях выполняются с использовани-

ем системы лазерного дендрометра LaserAce 300 MDL, полевого микрокомпьютера Psion и приемника спутникового геопозиционирования Trimble, что поз-

воляет оперативно получать таксационные характеристики насаждения и его

географические координаты с высокой точностью и переводить их в цифровой формат непосредственно в лесу на пробной площади с сохранением в памяти компьютера для последующей специализированной обработки и архивирова-

ния (рис. 68–71).

Спутниковые снимки на объект исследований (используются усиленные

панхроматические лесные сцены IKONOS, с нанесенными границами таксационных выделов, траверсами и GPS центрами пробных площадей с реальным пространственным разрешением на местности 1 м) для работы в полевых условиях представлены в карманных компьютерах типа Casio CASSIOPEIA E-750,

или Compaq iPAQ 3650 Pocket PC (рис. 72), совмещенных с GPS приемником

Trimble PathFinder Pocket и средствами телекоммуникации и передачи данных непосредственно с пробной площади (таксационного выдела) в офис, посредством сотовой или спутниковой связи. Данная система позволяет работать с цифровыми спутниковыми изображениями в формате ГИС ESRI ArcPad 5.0.1,

полностью совместимой со всеми версиями ArcView, непосредственно на проб-

ной площади в лесу и позиционировать как отдельные участки таксационного выдела (пробной площади), так и отдельные деревья с очень высокой (±10–15 см) точностью (рис. 73). Снимки сверхвысокого разрешения IKONOS имеют размер порядка 415–450 Mb, поэтому для работы с ними в карманных полевых компьютерах выполняется процедура сжатия исходного изображения в соотношении примерно 20:1 и уменьшения объема до 20 Mb средствами программно-

го обеспечения MrSID компанией LizardTech, Inc.

В 2000–2006 гг. нами отрабатывалась общая методика зондирования и ис-

следования структуры лесного покрова на основе спутниковой съемки и воз-

душной съемки бортовыми лазерными сканерами ALTM 1020/30/70/3100.

Работы выполнялись в Туруханском районе Красноярского края (район р. Бахта) на трансекте общей протяженностью 200 км, где была заложена серия наземных пробных площадей для определения лесной биомассы в подзоне си-

бирских среднетаежных лиственнично-елово-кедровых лесов, местами в сочетании с березняками и сфагновыми болотами (63°–64° с.ш., 89°–91° в.д.) (рис. 74-83).

126

127