Использование данных космической съемки rapideye для классификации природных объектов

      Комментарии к записи Использование данных космической съемки rapideye для классификации природных объектов отключены

Использование данных космической съемки rapideye для классификации природных объектов

В. В. Асмус, В. А. Кровотынцев, А. М. Алферов, Н. П. Иванова

Введение.

Фрагмент снимка, взятого с космического аппарата (КА) RapidEye 21 августа 2009 г., охватывает территорию лесного экспериментального участка «лог Таежный» Валдайского филиала Национального гидрологического университета Росгидромета (ВФ ГГИ). Участок лог «Таежный» с 1990 г. есть частью территории Национального парка «Валдайский» (ВНП).

На территории ВФ ГГИ находится контрольная точка сети наземных метеорологических измерений Росгидромета и Глобальной метеорологической организации (ВМО). Помимо этого, территория ВФ ГГИ многие годы употребляется ВМО с целью проведения интеркалибровки метеорологических устройств для испарения и измерения осадков. В ВФ ГГИ установлен терминал спутниковой совокупности сбора данных с наземных платформ, при помощи которого осуществляется ретрансляция и оперативный сбор через метеорологические спутники данных наземных измерений  в единый центр обработки данных.

В центре участка «лог Таежный» (географические координаты: 57о57,7’ с.ш. и 33о20,5’ в.д.) в однородном массиве зрелого елового леса  расположена лесная градиентная установка (комплекс устройств, складывающийся из трех мачт, высотой по 49 м любая). Конструкция, место и размеры размещения градиентной установки выбраны с учетом возможностей изучения распределения метеорологических элементов в древостоя и над лесом.

Детальные наземные наблюдения за метеоэлементами в условиях леса проводились в 1959–1990 гг. на особой площадке на логу Таежном на лесной градиентной установке. Наблюдения включали детальные влажности воздуха и круглосуточные измерения температуры, скорости ветра на разных высотах, измерения осадков над лесом, актинометрические наблюдения над лесом и под пологом леса. В том месте же проводились измерения температуры земли от поверхности до глубины 320 см.

Сейчас на высотных мачтах градиентной установки лесного полигона «лог Таежный» проводятся работы по оценкам проб концентраций и измерению воздуха и потоков СО2 и других парниковых газов между лесными экосистемами и атмосферой способом вихревой ковариации.

Из-за хорошей изученности данной территории наземными средствами, возможности постоянного ведения на ней громадного количества гидрометеорологических и других наземных измерений, и благодаря наличию особого оборудования,  приспособлений, отапливаемых помещений с целью проведения долгих постоянных гидрометеорологических наблюдений, полигон «лог Таежный» и другие природные участки, закрепленные за ВФ ГГИ, употребляются в Росгидромете в качестве тестового полигона для валидации спутниковых измерений.

Физико-географическое описание полигона «лог Таежный».

Лесной экспериментальный участок «лог Таежный» расположен в центре Валдайской возвышенности, которая входит в состав конечно-моренного пояса северо-запада Русской равнины, сформировавшегося на протяжении последнего валдайского оледенения. Анализ фондовых данных ВФ ГГИ и ВНП и других опубликованных материалов продемонстрировал, что главная часть территорий, конкретно граничащих с экспериментальным участком «лог Таежный», расположена к востоку от Привалдайской гряды, и занимает сложно выстроенный ландшафт пологоволнистой, местами плоскохолмистой водно-ледниковой равнины, прилегающей с юго-востока к акватории озера Валдайское (рис.

1). Рельеф территории расчлененный – гряды и многочисленные холмы (их относительная высота до 20-50 м, крутизна склонов 15-20° и более) чередуются с западинами, небольшими равнинами и ложбинами стока, а все многообразие форм возможно разглядывать как сложное сочетание трех типов рельефа: моренного (в основном конечно-моренного), зандрового и камового. котловины и Западины, располагающиеся между моренными буграми, озами и камами, часто заняты маленькими озерами.

Рис. 1. Фрагмент топографической карты окрестностей Валдайского озера, на юго-восточной периферии которого расположен лесной участок «лог Таежный» (А). Вид на лесной массив экспериментального участка «лог Таежный» с одной из мачт градиентной установки (Б). Съемка 24.09.2008 г.

Почвообразующими породами являются моренные отложения: супеси и валунные суглинки, флювиогляциальные пески и озерно-ледниковые песчаные отложения, торфяные отложения. С разнообразием почвообразующих пород и форм рельефа связана сложность и пестрота почвенного покрова. Преобладают палевоподзолистые суглинистые и скрытоподзолистые супесчаные земли, сменяющиеся в межхолмовых понижениях болотными торфянисто- и торфяноглеевыми землями.

На замечательных песках озовых и дюнных гряд формируются обычные таежные подзолы. Наличие сложного сочетания генетических форм моренного, камового, зандрового и озового рельефа обусловило пестроту ландшафтной структуры и структуры растительного покрова. Лесная растительность находится в пределах нескольких ландшафтов: 1) мелкохолмистой моренно-камовой равнины на средних карбонатных моренных суглинках; 2) мелкогрядово-холмистой камово-озовой равнины на двучленах; 3) озерно-водно-ледниковой равнины, и заболоченных ландшафтов аллювиальных равнин.

самые продуктивные лесные сообщества формируются на склонах и вершинах моренных и камовых холмов, сложенных в основном суглинками, и представлены высокобонитетными ельниками. Сосны являются индикатором залегания супесчаных поверхностных отложений: чем больше их мощность, тем больше часть сосны в древостое.

В зависимости от условий и литологии отложений трофности на склонах и вершинах моренных форм формируются неморальные ельники, разнотравно-черничные, ельники-кисличники, кислично-черничные и папоротниково-кисличные, майниково-кисличные. Песчаные озовые дюны и гряды сложены замечательными песками. Связанный с ними тип местообитаний характеризуется низкой трофностью и недостатком увлажнения (сухие гигротопы).

В данных местообитаниях формируются высокобонитетные сосняки брусничники-зеленомошники и черничники. Древостой на болотах, в большинстве случаев, разреженный, сомкнутость крон низкая (от 0,2 до 0,4). Лесной покров на болотах относятся к разряду редколесья. На низинных болотах преобладают низкобонитетные елово-березовые-ольховые редколесья. На переходных болотах формируется елово-березовое редколесье с примесью сосны.

Деревья имеют меньшую плотность, чем на низинных болотах и относятся к низкому классу бонитета. Нехорошие условия местообитания древостоя формируются в условиях верховых сфагново-пушицевых болот. Эти типы местообитаний характеризуются низкой трофностью и высокой переувлажненностью, верховой сфагновый торф отличается низкой зольностью.

В условиях верховых болот превалируют низкобонитетные сосново-березовые редколесья.

Применение полигона «лог Таежный» для изучения сотрудничества потоков СО2 и других парниковых газов между лесными экосистемами и атмосферой.

Анализ литературных данных по применению способа вихревой ковариации для измерения потоков СО2 между атмосферой и лесными экосистемами продемонстрировал, что на измеряемые потоки СО2 значительное влияние в отдельные периоды измерений может оказывать горизонтальная адвекция из-за пространственной неоднородности растительного покрова. Измерительная совокупность, установленная на башне, разрешает выяснить некое осредненное значение потока для территории (участка леса), с которой происходит вынос СО2 к датчикам измерительной аппаратуры.

В зависимости от высоты размещения измерительной аппаратуры, стратификации атмосферы и скорости ветра, территория выноса («fetch») может изменяться от нескольких гектаров до нескольких квадратных километров и охватывать не только исследуемый участок леса, но и окружающую его территорию. Минимальная площадь выноса в большинстве случаев отмечается в дневные часы при прекрасно выраженной неустойчивой стратификации воздуха, большая – в ночные часы при устойчивой либо нейтральной стратификации воздуха над лесом. Большие всплески потоков СО2, к примеру, смогут наблюдаться за счет выноса СО2 с сопредельных болотных участков, или с участков увлажненных торфянистых земель.

В связи с указанным событием, при осуществлении мониторинга потоков СО2 и других парниковых газов в лесной экосистеме «лог Таежный» посредством аппаратуры, устанавливаемой на лесной градиентной установке, для корректной интерпретации измерений потоков СО2 нужно располагать своевременными данными о неоднородности распределения растительности, ее продуктивности кроме этого и на сопредельных территориях, каковые смогут быть взяты лишь спутниковыми способами. При ответе данной задачи направляться учитывать тот факт, что площадь экспериментального участка «лог Таежный», представляющего собой достаточно однородный массив зрелого елового леса, образовывает 0,45 км2.

Указанная площадь практически определяет требования к масштабу тематического картографирования структуры растительного покрова, что должен быть обеспечен при автоматизированной классификации многозональных спутниковых изображений. Напомним, что при широкомасштабном ландшафтном картографировании объекты площадью от 0,5–3,0 км2 до 10–20 км2 соответствуют территориальным комплексам ранга урочищ. Для этих целей нужно применять материалы многозональных космических съемок с высоким разрешением, не хуже 100 м. Среди существующей спутниковой информации, охватывающей долгие периоды, самые пригодными для оценки сезонной и межгодовой изменчивости пространственной неоднородности продуктивности растительности в том либо другом районе являются многозональные изображения спутников серии Landsat с разрешением 30 м.

Закономерности связи растительности, рельефа, спектральных черт, распознанные в ходе комплексного анализа спутниковых и наземных данных для главных экспериментальных участков светло синий ГГИ предполагается в последствии экстраполировать за их пределы по данным геоботанического районирования. Со своей стороны, корректная интерпретация измерений потоков СО2 наземными способами и экстраполяция взятых данных на другие территории неосуществимы без предварительного тестирования тематических карт растительного покрова, приобретаемых способом автоматизированной классификации многозональных спутниковых изображений, при постепенном уточнении данных для главных участков экспериментальной базы ВФ ГГИ и сопредельных территорий.

Применение спутниковых изображений большого разрешения для классификации и распознавания объектов окружающей природной среды тестового полигона «лог Таежный».

Предварительный анализ цветосинтезированных изображений на исследуемую территорию («лог Таежный»), взятых с 1990 по 2002 гг. согласно данным КА Landsat (разр. 30 м) с применением спектральных диапазонов (мкм) 0,525-0,605 (2); 0,630-0,690 (3); 0,750-0,900 (4), продемонстрировал следующее. Большинство территории покрыта лесами. Фактически сельскохозяйственные и селитебные почвы занимают маленькую площадь и локализованы в северной части территории.

В юго-западной и юго-восточной частях громадную площадь занимают большие карьерные разработки. Карьеры имеют на изображениях самый броский оттенок, что обусловлено большой отражательной свойством обнаженной земли. Визуально необходимо отметить пространственную мозаичность лесов территории. Распространенные в западной части участка сомкнутые еловые леса на дистанционных изображениях имеют более чёрный тон.

Сосновые леса в целом имеют чуть более яркий тон. Заболоченные древостои выделяются на дистанционных изображениях благодаря, в целом, более яркому тону. Большая продуктивность характерна для пойм ручьев, растительности п

Природные ресурсы и их использование


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: