Картографирование болотных микроландшафтов на основе спектральной классификации космических снимков rapideye

      Комментарии к записи Картографирование болотных микроландшафтов на основе спектральной классификации космических снимков rapideye отключены

Картографирование болотных микроландшафтов на основе спектральной классификации космических снимков rapideye

С.В. Ардашникова

Западно-Сибирская равнина —один из наибольших нефтегазоносных регионов мира. Освоение его достатков в значительной мере затруднено заболоченностью территории. Обычно, нефтепромыслы — это участки междуречных равнин, занятые болотными массивами.

Интенсивное развитие нефтегазового комплекса предполагает проведение громадного количества инженерно-экологических изысканий (ИЭИ) с необходимым построением широкомасштабных ландшафтно-экологических карт на большую территорию, в т.ч. на участки верховых болот.

Их труднопроходимость — значительная неприятность в получении исходных информации о пространственной структуре растительного покрова. Логичным ответом в таковой ситуации делается детальное изучение ландшафтной структуры на дешёвых главных (репрезентативных) участках и предстоящая интерполяция этих данных на другие площади.

Наряду с этим громадное значение покупают способы автоматизированного дешифрирования космических снимков (КС) либо, как минимум, их спектрального анализа для предстоящего дешифрирования. Спектральная классификация изображений КС в этом случае базируется на данных наземных наблюдений, делающих роль обучающих выборок. Главной задачей данного изучения явилось определение важнейших параметров классификации многозональных КС RapidEye, посредством способов спектрального анализа программного комплекса ENVI, на участок верхового болота с применением ботанических и ландшафтных описаний, выполненных ранее в рамках инженерно-экологических изысканий (ИЭИ).

В качестве главного участка для изучения был выбран болотный массив на юго-востоке Западно-Сибирской равнины, на одном из месторождений Томской области. Выбор основан на наличии первичных материалов и, в первую очередь, материалов полевых изучений. Данный массив есть частью Громадного Васюганского болота — самого большого верхового болота в мире.

Структуру микроландшафтов выбранного участка можно считать репрезентативной для большинства верховых болот региона.

Исследуемый болотный массив расположен на левобережье Оби в бассейне р. Васюган. Безотносительные высоты междуречной равнины неоген-четвертичного возраста составляют 125–133 м., неспециализированный уклон местности — на северо-запад. Площадь главного участка около 90 кв. км.

Для оценки достоверности результатов был выполнен следующий объем работы:

  1. Анализ полевых изучений (2009 г.);
  2. Визуальное дешифрирование космоснимков;
  3. Спектральная классификация спектрозонального КС спутника RapidEye

Материалы полевых изучений, на которых основано дешифрирование,  включали  описания ботанических почвенных профилей и площадок на территорию главного участка, фотоотчет.

Визуальное дешифрирование КС (RapidEye 2010 г., Landsat-7 2000 г., QuickBird 2006 г.) совершено на базе материалов ИЭИ 2009 г., материалов лесоустройства,  широкомасштабных карт и топографических карт четвертичных отложений. В пределах контура верхового болота нами на базе изучений Е.Д. Лапшиной выделено четыре главных фитоценоза (растительных сообществ):

  1. Озерково-грядово-мочажинные комплексы. Комплекс является сочетанием гряд, очень сильно обводненных мочажин, чередующихся с озерами, занимающими центральные части больших мочажин.
  2. Выпуклые центральные участки верхового болота занимают сосново-кустарничково-сфагновые сообщества – «рям» (потом мы будем именовать его «низкий рям»). Древесный ярус образован сосной (Pinus sylvestris f. Litwiniwii, f. willkomii). Кустарниковый ярус представлен в основном хамедафной (Chamaedaphne calyculata), багульником (Ledum palustre), клюквой болотной и мелкоплодной (Oxycoccus palustris, O. Microcarpus). Среди травянистых растений обильно произрастает морошка (Rubus chamaemorus). Отдельные пятна формируют осока шаровидная (Carex globularis) и пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum). Доминантом мохового покрова есть сфагнум бурый (Sphagnum fuscum), с пара меньшим покрытием представлены сфагнум магелланский (Sph. Magellanicum), сфагнум узколистный (Sph. Angustifolium), плевроциум Шребера (Pleurozium schreberi).
  3. Сосново-осоково-кустарничково-сфагновое болото – «высокий рям» (в отечественном изучении — сфагново-кустарничково-сосновые сообщества). Данный фитоценоз характерен в основном для краевых участков верхового болота и занимает незначительные территории. Отличие рослого ряма от не высокий содержится в обилии сфагнума узколистного (Sph. Angustifolium) и сфагнума магелланского (Sph. Magellanicum) в моховом ярусе, и более высокой продуктивностью древостоя сосны.
  4. Пушицево-сфагновые сообщества распространены на маленьких площадях. Являются топяные участки по периферии верховых болот, каковые часто заканчиваются ручейками либо болотными речками. Базу растительного покрова образуют пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum), осока топяная (Carex limosa), сфагнум балтийский (Sphagnum balticum), сфагнум папиллозный (S. papillosum), сфагнум бурый (S. fuscum).

Для исполнения спектральной классификации изображения был выбран спектрозональный КС спутника RapidEye с разрешением 6,5 м. Выбор обусловлен его пространственным разрешением — оно оптимально для исполнения карт требуемого масштаба (М 1:25000). Спектральный диапазон КС RapidEye (от 0,44 до 0,85 мкм) охватывает видимую (4 канала) и ближнюю инфракрасную области (1 канал). Наличие последнего особенно принципиально важно, т.к. это предоставляет расширенные возможности в индикации растительного покрова, как одного из компонентов ландшафта.

Классификация изображения выполнялась в специальном программном обеспечении ENVI посредством инструмента Decision Tree Classifier, метод которого предполагает пошаговое деление пространства пикселов на классы в соответствии с заданным условием. Условия в большинстве случаев задают по граничным значениям яркостей пикселов, как по отдельным каналам, так и по их комбинациям. В совершённой классификации КС использованы яркостные характеристики зеленого, ближнего и длинноволнового красного инфракрасного (БИК) каналов, и вычисленных значений NDVI (нормализованный относительный индекс растительности).

Назначение переменных (спектральный канал либо значения NDVI), по чертям которых формируют условие, проводилось на базе сравнительного анализа изображений. Таковой анализ предполагал обнаружение канала КС, где граница выделяемого класса поверхности прослеживается самый четко. Для получения качественного результата, условия довольно часто содержали пара переменных, т.е. исполнение условий проверялось в один момент по нескольким изображениям (табл.).

Классы поверхности Канал КС, в котором граница выделяемого класса четко прослеживается
Водная поверхность ближний ИК
Антропогенно-нарушенная поверхность, грунт значения NDVI
Граница лес/болото длинноволновый красный, ближний ИК
Пушицево-сфагновые сообщества зеленый
Озерково-грядово-мочажинные комплексы длинноволновый красный
Сосново-кустарничково-сфагновые сообщества ближний ИК
Сфагново-кустарничково-сосновые сообщества ближний ИК, длинноволновый красный

Табл. Информативность спектральных каналов  КС RapidEye

В следствии было получено классифицированное изображение исходного снимка RapidEye (рис. 1), на котором дискретно отображены разные типы подстилающей поверхности. В последовательности метода классификации мы стремились к минимизации количества итераций и, в первую очередь, к корректному определению границы «лес/болото».

На выбранном участке это не составило особенной неприятности, потому, что растительные сообщества на болоте не имеют верхнего сомкнутого «перекрывающего» яруса. Выяснив границу суходолов (лесных массивов) и слабодренированных территорий (болот) в будущем мы разглядывали лишь болотные микроландшафты.

Рис. 1.  Классифицированный КС RapidEye, территория главного участка

В следствии пошагового деления болотной растительности нами выделено 4 класса:

— озерково-грядово-мочажинные комплексы;

— сосново-кустарничково-сфагновые сообщества;

— сфагново-кустарничково-сосновые сообщества;

— пушицево-сфагновые сообщества (рис. 2).

Рис. 2. Растительные сообщества верхового болотного массива на КС RapidEye

Растительные сообщества с наличием древесного яруса целесообразно выделять по БИК, топяные участки по окраинам болотного массива с обилием травянистой растительности четко отделяются по зеленому каналу. Граница озерково-грядово-мочажинных комплексов оптимальнее прослеживается в длинноволновом красном канале.

Разнообразие растительного покрова верхового болотного массива разъясняется различиями и неоднородностью рельефа в увлажнении. Так, озерково-грядово-мочажинные комплексы занимают центральные участки олиготрофного болотного массива с уклонами поверхности 0,0019, безотносительные высоты 125–133,4 м. Они являются необычный водораздел, формирующий поверхностный сток.  При визуальном дешифрировании КС (RapidEye, 31.08.2010) в видимой части спектра озерково-грядово-мочажинные комплексы имеют красный оттенок, что предопределило подбор значений спектральных яркостей, характерных для данного фитоценоза как раз в красной территории спектра.

Сосново-кустарничково-сфагновые сообщества расположены по периферии озерково-грядово-мочажинных комплексов на центральных участках олиготрофного болотного массива и на протяжении по склону, уклон поверхности 0,0028. При дешифрировании низкого ряма отмечено, что применяя инструмент Decision Tree Classifier ПО ENVI весьма тяжело совершить границу между высоким и низким рямами. Предположительно это связано со схожим составом растений данных фитоценозов.

Анализ полевых материалов и КС продемонстрировал, что спектральные яркости низкого ряма с высоким проективным покрытием весьма близки к значениям спектральной яркости  большого ряма. За счет того, что повышение ярусности растительности ведет к повышению отражения в ближней инфракрасной территории спектра, граница высокого и низкого рямов была выяснена сочетанием параметров длинноволнового красного и БИК территорий спектра.

Пушицево-сфагновые сообщества в основном приурочены к очень сильно обводненным окраинам олиготрофного болота. Уклон поверхности 0,003. Для определения границ данного типа биогеоценоза выбрана зеленая территория спектра, т.к. она разрешает выявлять и изучать содержание хлорофилла на обводненных поверхностях, в частности в зеленом видимом спектральном диапазоне граница пушицево-сфагновых топей прослеживается самый четко.

На базе анализа разных тематических материалов (цифровая топографическая карта (ЦТК), карта лесоустройства, почвенная карта, карта четвертичных отложений), разновременных космических снимков и взятого классифицированного изображения КС RapidEye нами выделены характерные для участка работ болотные микроландшафты (рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент ландшафтной карты верхового болотного массива недалеко от участка работ

В следствии изучения отмечено, что использование инструмента Decision Tree Classifier для составления классифицированных изображений КС содействовало достаточно правильному определению границ микроландшафтов верхового болотного массива если сравнивать с визуальным дешифрированием. Анализ спектральной отражательной свойстве растительных сообществ по каналам КС RapidEye разрешил распознать самые предпочтительные каналы, и диапазон значений яркости данных каналов для идентификации разных фитоценозов.

Полученные значения яркостей спектральных каналов применены в будущем в методе построения спектральной классификации. Так, анализ итогового классифицированного изображения КС разрешил выяснить морфологическую структуру микроландшафтов исследуемого болотного массива.

Результаты исследования возможно применять при построении классифицированных изображений поверхности большинства верховых болот, с целью достоверности картографирования и повышения точности болотных микроландшафтов. Имеется основание считать, что применение взятых результатов в будущем повысит достоверность картографирования болотных микроландшафтов.

Но, принципиально важно подчернуть, что распознанная информативность спектральных каналов в идентификации болотных фитоценозов честна лишь в схожих условиях. В этом случае — это КС RapidEye (август 2010 г.).

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Лапшина Е.Д. Флора болот юго-востока Западной Сибири. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. — 296 с.

Верховые болота Северного Урала


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: