Лесопатологический мониторинг лесов: возможности группировки rapideye

      Комментарии к записи Лесопатологический мониторинг лесов: возможности группировки rapideye отключены

Лесопатологический мониторинг лесов: возможности группировки rapideye

А. Маркс, Р. Грисбах

Походный шелкопряд дубовый – семейство бабочек, гусеницы которого являются вредителями в дубовых лесах. Эти бабочки обширно распространены по всей Центральной и Южной Европе. Тогда как популяция бабочек на юге Европы находится под контролем естественных хищников, Северная Европа без шуток страдает от нашествий вредителей ввиду их отсутствия.

По данным Википедии, бабочки угрожают и для людей, а их ареал обитания будет все расширяться по мере потепления климата в Европе. Спинки взрослых гусениц покрыты приблизительно 63 тыс. заостренных оборонительных щетинок, содержащих защитный токсин (thaumetopoein либо тесно связанные с ним соединения). Волоски (либо щетинки) легко отламываются, становятся летучими и смогут привести к эпидемии гусеничного дерматита (lepidopterism) у  человека.

По окончании заражения у человека проявляется папулезная сыпь, зуд, конъюнктивит, а, при попадании в дыхательные пути — нарушение и фарингит дыхания, а также астма либо кроме того анафилактический шок [http://en.wikipedia.org/wiki/Oak_Processionary].

Органы власти Бранденбурга в сфере лесопользования, отмечают стремительное и неизменно возрастающее распространение дубового походного шелкопряда и других дефолирующих насекомых, каковые приводят к понижению уровня жизнеспособности дубов. В 2011 г. пораженные области возросли до 4000 га (повышение на 230% если сравнивать с 2010 г. Кроме очевидного понижения уровня жизнеспособности дубов, мы замечаем первое крупномасштабное полное вымирание деревьев.

Влияние, которое оказывает эта неприятность на здоровье людей, сейчас значительно важнее, чем раньше. Эта обстановка содействовала тому, что органы власти приняли меры по борьбе с нашествием насекомых не обращая внимания на то, что существуют строгие правила применения средств для противодействия вредителям . Использование препарата Dipel ES в Бранденбурге дало хорошие результаты, но для его применения требуется особое разрешение от ЕС , и это ведет к временным ограничениям на поставку препарата в пораженные леса [http://forst.brandenburg.de/sixcms/detail.php/bb1.c.260712.de].

Органы власти, важные за здравоохранение и лесопользование, столкнулись с тяжёлой задачей по разграничению и выявлению пострадавших районов. Это бы разрешило в будущем применять эти сведенья для реализации принятых ответов. Традиционно, лесники делают эту задачу. Они систематично посещают леса и визуального выявляют насекомых.

Специалисты осматривают кроны деревьев и переносят на карту информацию об интенсивности процесса дефолиации по четырем параметрам, отражающим ущерб: мало заметный, тяжелый и дефолиация (уничтожение растительности). Процесс урбанизации без конца возрастает, и лесникам приходится защищать и осматривать большие территории, и в этом случае классические способы по охране внешней среды уже не смогут быть столь действенны.

В следствии появилась мысль проводить мониторинг лесов спутниками группировки RapidEye. Компания RapidEye —поставщик данных большого разрешения, и геоинформационных продуктов, взятых на базе снимков. Благодаря группировки из 5 спутников, компания RapidEye приобретает снимки поверхности Почвы числом до 5 млн кв. км ежедневно, и увеличивает собственный архив снимков более чем на 1 млрд кв. км каждый год.

Группировка спутников разрешает проводить повторную съемку большую территорию с разрешением 5 м в мультиспектральном режиме, что есть  экономически-удачным ответом с целью проведения космического мониторинга. в течении многих лет группировка спутников RapidEye доказала собственную эффективность с целью проведения анализа растительности. Соответственно группировка RapidEye  — это самое подходящее ответ для анализа экологического состояния лесов.

ТЕСТОВЫЙ УЧАСТОК

Для демонстрации возможностей группировки по классификации степени жизнеспособности деревьев научно-исследовательская несколько компании RapidEye выбрала лесную территорию с важными повреждениями крон дубов на юго-западе от г. Потсдам. Тестовый участок  включает в себя районы, прилегающие к озерам Швиловзе и Темплинер. Главные породы деревьев в этом районе следующие: дуб скальный (Quercus petraea), бук европейский либо бук лесной  (Fagus sylvatica), дуб красный (Quercus rubra), робиния псевдоакация, либо робиния лжеакация, либо робиния обычная (Robinia pseudoacacia) и береза повислая (Betula pendula).

По данным State Forest Competency Center эта область поражена насекомыми, каковые повреждают дуб, и всего лишь за один год пораженная территория увеличилась в два раза (425,6 га в 2011 г. и 939,5 га в 2012 г.).

ПОЛУЧЕНИЕ СНИМКОВ

По окончании того, как научно-исследовательский отдел выбрал для тестирования возможностей группировки по классификации уровня жизнеспособности дуба район рядом с г. Потсдам, следующим шагом будет выбор подходящих снимки в архиве RapidEye. Самый несложный и действенный метод поиска данных — онлайн сервис EyeFind. EyeFind , предназначенный для поиска снимков в архиве компании RapidEye.

На сервис EyeFind возможно загрузить шейп-файл Esri интересующего вас участка в проекции UTM, координаты WGS 84. Когда эти загружены, возможно выбрать подходящие параметры облачности и интересующую вас дату, и программа подберет в архиве снимки соответствующие введенным параметрам. По окончании того, как самые подходящие снимки буду отобраны, их возможно заказать.

Для демонстрации результатов этого изучения были отобраны архивные снимки от 28 июня 2011 г. (рис. 1), дабы применять для получения картографической базы. Для оценки актуального экологического состояния была заказана новая съемка.

Спутники RapidEye выполняют съемку в 5 спектральных каналах: светло синий, зеленом, красном, ближнем и крайнем красном инфракрасном. Для научно-исследовательской работы были выбраны снимки, представленные на рис. 1. Не обращая внимания на то, что на правом имеется маленькая атмосферная дымка, эти снимки являются хорошим материалом для научно-исследовательской работы, ввиду того, что на них совсем нет туч.

Рис. 1. Снимки RapidEye (слева — от 28 июня 2011 г., справа — от 26 мая 2011 г.)

АНАЛИЗ СНИМКОВ

По окончании начальной проверки качества, снимки RapidEye проходят первичную обработку: радиометрическую и атмосферную коррекцию. На отобранных для изучения снимках точность позиционирования данных была лучше, чем один пиксель, и этого было достаточно для того, чтобы сопоставлять снимки. Этого удалось добиться благодаря  наличию весьма правильных опорных точек по всей территории Германии.

Процесс обнаружения районов, пораженных дубовым другими вредителями и походным шелкопрядом, обязан выполняться по заблаговременно определенным правилам:

1.    Ввиду того, что поражены лишь дубовые леса, то для получения правильных результатов нужно выделить лиственные леса.
2.    У пораженных пород деревьев понижается уровень жизнеспособности, и при помощи спутников RapidEye понижение этого параметра возможно измерить.
3.    Индикатор зараженности размером не больше одного пикселя не рассматривается. Зараженность прекрасно прослеживается в центре очага и меньше к периферии.

Следуя упомянутым выше правилам, научно-исследовательский отдел компании RapidEye завершил первый этап по обработке данных. Следующая задача — отделить лиственный лес, создав неспециализированный шаблон леса для выбранной демонстрационной области.

Тут была применена методика, созданная экспертами компании RapidEye для интернационального исследовательского проекта по обеспечению данными о состоянии лесов «European Forest Downstream Services (EUFODOS) — Improved Information on Forest Structure and Damages», связанного с оценкой ущерба, нанесенного лесному хозяйству, и с картографированием параметров, отражающих  состояние лесов. В базе продукта EUFODOS P2 — Forest Cover Map — лежат лишь снимки компании RapidEye.

Никаких дополнительных данных по описи лесов либо второй точной информации не требуются. За маленькое время в интерактивном режиме эксперт по внешним показателям почвенно-растительного покрова определяет лесной массив. Это нужно для выработки метода классификации.

После этого данный способ будет использоваться лишь для обнаружения данного типа леса (на базе информации о сомкнутости крон деревьев либо по вторым параметрам). Данный способ легко компенсирует каждые остающиеся радиометрические отклонения на снимках, каковые смогут быть позваны сезонными либо атмосферными эффектами. Forest Cover Map представлен в виде геопривязанного векторного слоя, что очерчивает область, занятую лесом.

Forest Cover Map может употребляться как отдельный продукт с целью проведения описи лесов, но как правило карта употребляется как комплект данных, забранный за базу для предстоящего извлечения информации о лесном массиве. В этом случае, карта употребляется в качестве шаблона снимка. На рис. 2 продемонстрирована полученная дифференцированная карта лесных массивов, которая позже была использована для анализа уровня жизнеспособности лесов в соответствии с правилом номер 2.

Рис. 2. Снимок RapidEye в ИК-диапазоне с наложенным поверх шаблоном леса (темно-зеленый цвет — хвойный лес, светло-зеленый — лиственный лес)

Оценка уровня жизнеспособности деревьев основана на коэффициенте поглощения. В случае если лиственная масса кроны деревьев значительно уменьшается по причине того, что листву поедают личинки насекомых, то соответственно содержание хлорофилла падает, и поглощение красных и светло синий волн значительно уменьшается из-за понижения процесса фотосинтеза. Помимо этого, количество лиственных клеток в строении древесины, отражающих сигнал в ближнем ИК-диапазоне, значительно уменьшается.

В большинстве случаев для составления карты дефолиации употребляется индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Но изучения продемонстрировали, что индекс NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) снабжает получение более правильных данных. Исходя из этого, в этом изучении был использован как раз индекс NDRE.

Принимая к сведенью целый спектр вероятных значений индекса NDRE для определения уровня жизнеспособности деревьев, необходимо применять неспециализированную схему с градацией, которую после этого легко трактовать. Для отечественного демонстрационного изучения мы выделили 15 уровней, отражающих разные стадии жизнеспособности деревьев. У каждого уровня имеется собственный цвет, и на снимках они отображаются в виде слоев (рис.

3).

Рис. 3. Forest Vitality Maps (слева снимок за 2011 г., справа — за 2012 г.)

Полученный продукт соответствует продукту P3 «Forest Vitality Map», созданному компанией RapidEye в рамках уже упомянутого проекта EUFODOS. Продукт поставляется в виде 8-битного геопривязанного растрового файла, на котором на местности обозначено распределение относительных значений, соответствующих уровню жизнеспособности лесов за определенный временной отрезок. Зараженные участки удачно детектируются по данной карте.

Еще больше информации возможно взять, применяя продукт P4 «Forest Vitality Change Map», кроме этого созданного в ходе проекта светло синий (рис. 4).

Рис. 4. Forest Vitality Change Map (ухудшение состояния жизнеспособности)

При условии, что параметры по уровню жизнеспособности на Forest Vitality Change Map в различный период времени масштабируются одинаково, мы можем оценить динамику этих трансформаций. Эта карта компании RapidEye поставляется в виде  8-битного геопривязанного растрового файла. Он показывает градацию трансформации интенсивности цвета леса по относительному ухудшению уровня жизнеспособности деревьев.

Размер шага между ячейками образовывает 5%, показатели масштабируются до большого найденного значения.

Такая карта возможно использована для извлечения информации о районах, где параметр, отражающий трансформации интенсивности цвета леса, превышает заданный порог. К примеру, установлены отклонения 20% от «нормы» и более, по окончании эти отклонения будут обозначены как ненормальные, и по этим показателям будут выяснены области, на каковые необходимо обратить внимание.

Рис. 5. Снимок RapidEye в ИК-диапазоне с наложенными поверх снимка данными, свидетельствующими об трансформации границ полигонов

Чтобы создать карту, результаты, полученные в виде растрового файла необходимо преобразовать в шейп-файл ESRI, в котором характеристики интенсивности трансформаций по уровню жизнеспособности деревьев буду представлены в отельной таблице. Подобные файлы геопривязаны и смогут быть легко наложены поверх спутникового снимка, либо их возможно применять на любом GPS-устройстве в качестве базы для карты. Позднее при помощи этих продуктов  возможно будет обнаружить районы с целью проведения полевых изучений.

ПЕРСПЕКТИВЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ

Научно-исследовательские работы в компании RapidEye проводится при исполнении двух условных факторов: во-первых, изучение должно выполняться в соответствии с требованиями пользователей и, во-вторых, обязана существовать возможность получения прибыли. Нужно, дабы пользователи имели возможность оценить полезность функций продукции с повышенными качественными чертями.

В упомянутых выше случаях пользователи учавствовали в реализации проекта и делились собственными экспертными знаниями для утверждения продукции, используемой на демонстрационном полигоне. Всего для проекта употреблялись 144 контрольные точки. Кое-какие контрольные точки взяты, благодаря данным, свидетельствующим об трансформации формы полигона, но, а большая часть точек были случайным образом выбраны на полигоне (в лесу).

На базе визуализации параметров, отражающих уровень ущерба в этих точках, был составлен комплект справочных данных для сравнения с данными дистанционного зондирования.

Продукт P2 «Forest Cover Map» (классификация лиственных лесов) отражал эти с точностью в 92% если сравнивать с полевыми показателями (133 полевые точки из 144 были верно классифицированы).

Не обращая внимания на достаточно громадную отличие во времени между осуществлением замеров и проведением съёмки на полигонах, 74% проверенных точек на полигонах соответствуют данным продукта P4 «Forest Vitality Change Map» (симптомы заражения: да/нет).

направляться учесть, что благодаря вторичному приросту многие деревья частично восстановились, и, следовательно, проводить подробную оценку ущерба, нанесенного жизнеспособности деревьев (маленькие повреждения, заметные повреждения, большой вред, дефолиация), фактически нереально.

В любом случае, пользователей попросили детально поведать и оценить возможности применения этих сервисных продуктов. В частности, комфортно ли трудиться с продукцией (при своевременном мониторинге лесов, охране лесных массивов),  вероятно ли внедрить совокупность в текущие рабочие процессы, оценить экономическую пользу при применении продукции (преимущества, недочёты, действие и др.), и обрисовать другие параметры внедрения совокупности.

Лесники, каковые учавствовали в проверке полевых данных, были удовлетворены взятыми результатами. Для личной работы такие карты как «Vitality Map» предоставляют нужные эти для обнаружения критических районов. Применяя данный продукт, возможно направить силы на работу как раз в пораженных районах, и соответственно сэкономить ресурсы и время.

Научно-исследовательская несколько компании RapidEye без сомнений будет разрабатывать и тестировать способы по получению информации, применяя дистанционное зондирование, но уже для применения не только в сфере лесничества. Вся работа обязана соответствовать требованиям рынка. В случае если имеется потенциальная возможность удачно реализовать проект, то компания RapidEye будет счастлива начать сотрудничество с пользователями и местными организациями для разработки личной продукции.

Как другой вариант, партнеры смогут создавать информационные продукты соответствующие их личным требованиям либо требованиям их клиентов.

На примере этого изучения, мы видим, что клиенты, поставщики данных и исследовательские группы смогут трудиться сплоченно на благо всех участников, и  что совместная работа разрешает приобретать пользу каждому из участников.

Мониторинг лесов и зелёных зон в Карелии


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: