Разработка методики региональной экологической оценки состояния лесов по данным спутниковых наблюдений

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ

Региональной экологической оценки

состояния лесов по данным спутниковых наблюдений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПЛАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ... 3

Глава 1.
Анализ возможностей использования методов дистанционного зондирования для
региональной оценки экологического состояния лесов  7

Глава 2.
Картографирование лесов по многоспектральным спутниковым данным высокого
пространственного разрешения. 12

Глава 3.
Региональная экологическая оценка характеристик состояния лесов по
многоспектральным спутниковым данным MODIS. 19

Глава 4.
ГИС-анализ экологического состояния лесов Московской области  20

Заключение.. 27

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ.. 29

Актуальность темы. Леса России имеют важное
социально-экономическое и экологическое значение. Они представляют собой
источник ценных ресурсов, обеспечивают сохранение в связанном состоянии
значительной части мирового запаса углерода, выступают в качестве
экологического каркаса для сохранения биоразнообразия экосистем, а также
выполняют множество других биосферных функций.

Необходимость осуществления регулярного мониторинга
состояния лесов обусловлена их непрерывной динамикой вследствие влияния
природных и антропогенных факторов (таких как пожары, вырубки, техногенные
загрязнения и некоторых других), масштабы, проявления которых существенно
варьируют в зависимости от региона. В частности, леса Московской области
испытывают на себе сильное антропогенное влияние, обусловленное близостью к
мегаполису с более чем десяти миллионным населением. Это выражается в высоком
уровне загрязнения атмосферы и почвенного покрова, изменениях гидрологического
режима при строительстве дорог и прокладке коммуникаций, вырубке лесов в целях
последующей застройки территории, повышенной рекреационной нагрузке, часто
приводящей к пожарам.

Современный этап развития методологии мониторинга лесов с
целью выработки стратегий рационального лесопользования и защиты окружающей
среды предполагает в качестве обязательной компоненты использование методов
дистанционного зондирования и геоинформационных систем (ГИС). Согласно
современной концепции спутникового мониторинга лесов, выделяются глобальный,
континентальный, региональный и локальный уровни наблюдения, различающиеся
функциональными задачами, территориальным охватом, а также требованиями к
пространственной и тематической детальности получаемой информации. В настоящее
время для осуществления мониторинга лесов на глобальном и континентальном
уровнях преимущественно используются данные низкого и среднего
пространственного разрешения в диапазоне 250м – 1км (NOAA-AVHRR,
SPOT-Vegetation, Terra/Aqua-MODIS и др.). В то же время при решении задач
локального уровня (например, на уровне лесохозяйственных предприятий или
административных районов) наиболее эффективно использование спутниковых данных
высокого разрешения (20-40 м), к числу которых в частности относятся данные
Landsat-TM/ETM+, SPOT-HRV/HRVIR и МСУ-Э/Метеор-3М. К особенностям регионального
мониторинга лесов, охватывающего крупные административные (субъект РФ или
административный округ) или природные (водосборный бассейн) территориальные
образования, относится необходимость комбинированного использования спутниковых
данных различного пространственного разрешения. Целью такого рода сочетания
спутниковых данных различного разрешения является обеспечение полного
территориального охвата региона спутниковым мониторингом при условии
достаточного уровня тематической детальности и достоверности получаемых
результатов.

При этом задача экологической оценки лесов региона требует
обоснования соответствующих индикаторов, доступных для определения с использованием
данных спутниковых наблюдений, и позволяющих оценивать структуру и состояние
лесов с точки зрения эффективности выполнения ими средозащитных и биосферных
функций в условиях возрастающего влияния антропогенной нагрузки.

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной
работы являлась разработка методики региональной оценки экологического
состояния лесов по данным спутниковых наблюдений и ее экспериментальная
апробация на примере Московской области. Достижение указанной цели потребовало
решения следующих научных задач:

Проведение анализа возможностей современных спутниковых
систем дистанционного зондирования в интересах решения задач экологического
мониторинга лесов;

Обоснование системы индикаторов экологического состояния
лесов и разработка методики их оценки с использованием данных дистанционного
зондирования различного пространственного разрешения и ГИС-технологий;

Разработка методов предварительной и тематической обработки
многоспектральных данных спутниковых наблюдений с целью оценки индикаторов
экологического состояния лесов;

Экспериментальная апробация разработанной методики оценки
экологического состояния лесов по данным спутниковых наблюдений на примере
Московской области.

Научная новизна и основные результаты диссертационной
работы.

Проведенные в рамках диссертационной
работы исследования и разработки позволили получить следующие, обладающие
научной новизной, основные результаты:

Предложена система индикаторов экологического состояния
лесов и разработана методика их региональной оценки с использованием данных
дистанционного зондирования со спутников и ГИС;

Разработан метод взаимной радиометрической нормализации
разнородных по условиям съемки спутниковых изображений высокого
пространственного разрешения в интересах регионального картографирования лесов;

Разработан метод региональной оценки лесистости территории
на основе сочетания данных спутниковых наблюдений среднего (MODIS) и высокого
(Landsat-ETM+) пространственного разрешения;

Разработан и апробирован по спутниковым данным MODIS метод
использования спектральных вегетационных индексов для оценки состояния хвойных
лесов в условиях повышенной антропогенной нагрузки;

На основе разработанной методики сформирована база данных об
индикаторах экологического состояния лесов Московской области по результатам
обработки данных спутниковых наблюдений.

Практическая значимость. Проведенные в рамках
диссертационной работы исследования позволили разработать методику региональной
экологической оценки состояния лесов в интересах регионального планирования и
охраны окружающей среды. Комплексное использование данных дистанционного
зондирования различного пространственного разрешения и ГИС-технологий открывают
возможность проведения регионального мониторинга экологического состояния лесов
на регулярной основе. Разработанные методические подходы апробированы на
примере Московской области и могут быть использованы региональными органами
управления лесами и природоохранных организациях.

Апробация. Основные положения диссертационной работы
доложены на четырех научных конференциях МИИГАиК и ИКИ РАН по вопросам развития
и использования методов дистанционного зондирования окружающей среды.

Публикации. По результатам исследований и разработок
опубликовано шесть печатных работ по теме диссертации в российских научных
изданиях и сборниках докладов конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, четырех глав, заключения, и списка литературы. Объем диссертации
составляет 130 страниц, включая 29 рисунков и 16 таблиц.

Выражение признательности. Большую помощь и поддержку на
всех этапах работы оказали научный руководитель, профессор д. т. н. В.А.
Малинников и заведующий лабораторией ИКИ РАН к. т. н. С.А. Барталев. Автор
выражает большую благодарность М.Ю. Дубинину, А.М. Костиковой, а так же всем
коллегам, помогавшим в данной работе.

Содержание работы. Ведение содержит обоснование
необходимости развития методов спутникового мониторинга в интересах
региональной оценки экологического состояния лесов, описание целей и задач
исследований, а также основных научных результатов, полученных автором при
подготовке диссертационной работы.

Глава 1. Анализ возможностей использования методов
дистанционного зондирования для региональной оценки экологического состояния
лесов

Московская область относится к регионам с высокой плотностью
населения и развитым промышленным потенциалом, что создает значительную
антропогенную и рекреационную нагрузку на лесные экосистемы. Лес, как открытая
экологическая система, находится в непрерывном взаимодействии с факторами
окружающей среды, действие которых может отрицательно сказаться на
жизнедеятельности лесного биогеоценоза. По некоторым данным в регионе выявлено
37 зон загрязнения, охватывающих 165 тыс. га земель, покрытых лесами. В этих
зонах насчитывается около 23,5 тыс. источников загрязнения, выбрасывающих в
атмосферу свыше 300 тыс. т. вредных примесей в год. Поллютанты приводят к
видимому ухудшению состояния деревьев, а также могут привести к существенной трансформации
продуктивности и биоразнообразия лесных сообществ.

Технологии дистанционного зондирования открывают возможность
создания систем мониторинга лесов, включая определение структуры насаждений,
выявление крупномасштабных изменений в лесах в результате воздействия пожаров,
вырубок и других возмущающих факторов, оценку индикаторов состояния лесной
растительности. Как комплексная задача разработка методики региональной оценки
экологического состояния лесов требует проведения многодисциплинарных исследований
в области физических аспектов дистанционного зондирования, алгоритмов анализа
спутниковых данных, методов пространственного моделирования и ГИС-технологий.
При этом выбор объектов и режимов мониторинга лесов, а также набора измеряемых
параметров, должен обеспечивать возможность их прямого или опосредованного
использования для оценки индикаторов состояния лесных экосистем и их реакций на
факторы негативного воздействия.

В ряде случаев проведение региональной экологической оценки
состояния лесов, требует высокой детальности наблюдений при обеспечении их
регулярности, что обуславливает целесообразность комбинированного использования
материалов зондирования с различных спутниковых приборов. При этом, комбинация
данных среднего (например, Terra/Aqua-MODIS) и высокого (например, Landsat-ETM+
или SPOT-HRV) пространственного разрешения является одним из путей оперативного
получения сведений о количественных и качественных показателях состояния лесов
с высоким уровнем точности по отдельным территориальным образованиям или
региону в целом.

Для экологической оценки лесов по спутниковым данным
целесообразно использовать индикаторы, отражающие степень покрытия территории
лесами, породный состав насаждений и их физиологическое состояние.

Лесистость, как отношение покрытой лесами площади к площади
региона, относится к числу основных характеристик, а ее оценка по спутниковым
изображениям высокого пространственного разрешения, как правило, обеспечивается
с высоким уровнем надежности. При использовании данных низкого или среднего
разрешения такого рода оценка сопряжена со значительными погрешностями, в
особенности для территорий с фрагментированным лесным покровом.

Одним из возможных подходов для оценки лесистости на больших
территориях при обеспечении высокого уровня точности является комбинированное
использование спутниковых изображений MODIS и Landsat-ETM+. При этом оптимально
сочетание полного покрытия региона данными MODIS с репрезентативной выборкой
изображений высокого разрешения. Получаемые при этом по изображениям
Landsat-ETM+ опорные значения лесистости могут использоваться для коррекции
результатов обработки данных среднего пространственного разрешения.

Интенсивная хозяйственная деятельность или воздействие
других возмущающих факторов часто приводит к смене породного состава лесов, и,
в частности, к сокращению участия хвойных насаждений в лесном покрове. Во
многих случаях формирующиеся после вырубок и пожаров вторичные леса
характеризуются преобладанием лиственных и смешанных насаждений в течение
достаточно продолжительного периода. В этой связи доля участия чистых хвойных
насаждений в лесном покрове может служить одной из характеристик экологического
состояния лесов в условиях долгосрочной антропогенной нагрузки. Физиологическое
состояние лесов в значительной степени определяется содержанием хлорофилла и
уровнем влагообеспеченности зеленых фракций древесной растительности.
Непосредственное определение абсолютных значений этих показателей по данным
дистанционного зондирования в настоящее затруднено и требует дополнительных
наземных измерений. В этой связи целесообразно использовать относительные показатели,
получаемые на основе спектральных индексов, коррелирующих с уровнем обеспеченности
растений хлорофиллом и влагой, в качестве которых могут использоваться нормализованный
разностный индекс растительности NDVI и индекс
влагообеспеченности NDWI, определяемые по спектральному
отражению в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах спектра.

К особенностям предложенного в настоящее работе подхода
относится оценка значений указанных спектральных индексов отдельно для хвойных
и лиственных насаждений, что продиктовано их различной чувствительностью к
воздействию негативных факторов среды. При этом, в отличие от лиственных лесов,
значения спектральных индексов для хвойной растительности могут выступать в
качестве чувствительного индикатора их состояния. Это объясняется тем, что, не
будучи подверженным сезонной дефолиации, хвойные насаждения в условиях
повышенного уровня загрязнения окружающей среды аккумулируют в вегетативных
органах значительно более высокий уровень вредных веществ, что проявляется в
снижении уровня хлорофилла и влагосодержания, и как следствие в более высоком
уровне угнетения хвойных деревьев. Данное положение нашло подтверждение в
результатах экспериментальных исследований, выполненных в рамках
диссертационной работы.

С целью обеспечения сопоставимости и возможностей
совместного анализа индикаторов состояния лесов, получаемых по спутниковым
данным различного пространственного разрешения, снижения влияния случайных
факторов, а также удобства пространственного моделирования в среде ГИС
предложенная методика предполагает осреднение характеристик состояния лесов в
ячейках покрывающей территорию регулярной сети. Исходя из необходимости
обеспечения репрезентативности получаемых оценок и пространственного разрешения
изображений MODIS, используемых в качестве одного из основных
источников спутниковых данных для исследований, было признано целесообразным
использовать ячейки сети с размером 10х10 км.

Представленная на рисунке 1 логическая схема отражает
основные этапы предложенной методики региональной оценки экологического
состояния лесов по спутниковым данным. Как следует из схемы, для апробации
методики на примере Московской области используются приборы MODIS (250 м) и
Landsat-ETM+ (28,5 м) в качестве основных источников спутниковых данных. При
этом данные MODIS обеспечивают полное покрытие региона и используются в
сочетании с репрезентативной выборкой изображений высокого разрешения.

Предварительная обработка спутниковых данных призвана
обеспечить их более эффективный тематический анализ за счет снижения влияния
мешающих факторов. Так предварительная обработка ежедневных данных наблюдений
прибором MODIS направлена на формирование очищенных от влияния облачного покрова
композитных изображений региона путем селекции данных за некоторый период
наблюдений на основе набора заданных критериев. Предварительная обработка
данных Landsat-ETM+ включает в себя их географическую привязку и взаимную
радиометрическую нормализацию, и направлена на обеспечение возможности
совместной классификации совокупности спутниковых изображений на регион
исследований с целью снижения временных затрат на этапе тематической обработки.

На первом этапе тематического анализа изображений
предусматривается построение карт лесов по результатам независимой
классификации обоих видов спутниковых данных. Набор классов, выделяемых в ходе
анализа спутниковых данных, должен обеспечивать отделение покрытых лесом от
непокрытых лесом участков, а также подразделение покрытых лесом территорий на
хвойные, лиственные и смешанные насаждения. Целесообразно также выделять
хвойные насаждения с преобладанием светлохвойных (сосна) и темнохвойных (ель,
пихта) пород. В качестве источника вспомогательных данных для классификации
изображений могут использоваться лесоустроительные и другие тематические карты,
отражающие территориальное распределение лесов региона и их породный состав.
Интеграция полученных по результатам классификации изображений MODIS данных о
характеристиках лесов в базу данных ГИС предваряется выполнением калибровки с
использованием результатов анализа изображений высокого разрешения. Предложенной
методикой предлагается восстановление вида и параметров калибровочных функций
путем регрессионного анализа, в качестве входных переменных для которых используются
значения лесистости для ячеек сети, полученные по спутниковым изображениям
среднего и высокого разрешения.

Полученные в результате классификации изображений MODIS
маски хвойных и лиственных лесов используются на дальнейших этапах для
вычисления в ячейках сети средних значений индексов NDVI и NDWI, отражающих
физиологическое состояние насаждений в части обеспеченности их хлорофиллом и
водой.