ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
АНАЛИЗ КАНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ LANDSAT TM ДЛЯ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ ЛЕСОСТЕПНОЙ ПРОВИНЦИИ СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ
© 2012 г. Э. А. Терехин
Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Федерально-региональный центр аэрокосмического и наземного мониторинга объектов и природных ресурсов, Белгород E-mail: terekhin@bsu.edu.ru Поступила в редакцию 29.07.2011 г.
Изложены результаты исследования информативности спектральных диапазонов снимка LANDSAT TM для анализа группы параметров лесных насаждений: возраста, высоты и диаметра стволов. Объект исследования — дубравы Белгородской области. Проводилась оценка шести спектральных диапазонов. На основе анализа данных, собранных почти с 1300 выделов, установлено, что наиболее чувствительным диапазоном для оценки всех исследуемых параметров насаждений является канал 5 (средний инфракрасный) снимка.
Ключевые слова: параметры лесных насаждений, лесостепная зона, спектральные диапазоны, корреляционный и дисперсионный анализы
ВВЕДЕНИЕ
Растительность обладает достаточно сложной кривой коэффициентов спектральной яркости (КСЯ), которая значительно изменяется с длиной волны и одновременно содержит в себе информацию, связанную с определенными параметрами и состоянием растительных сообществ. При их анализе по материалам космической съемки исследователь имеет дело со спектральными отражательными свойствами растительного покрова, оцененными в разных диапазонах спектра.
Одной из важнейших задач исследования лесной растительности с помощью данных дистанционного зондирования (ДДЗ) является установление количественных отношений между параметрами лесного фитоценоза — возрастом, высотой, диаметром стволов — и спектральными отражательными свойствами лесного полога. Однако перед тем как приступить к расчету количественных уравнений связи, необходимо выяснить, какой спектральный диапазон является наиболее информативными (чувствительным) при исследовании определенного параметра насаждения. Этот диапазон будет использоваться непосредственно при построении уравнений зависимости.
Решению задачи выявления наиболее информативных спектральных диапазонов для оценки возраста, высоты и диаметра лесного насаждения посвящена настоящая статья.
К волновым диапазонам, наиболее широко используемым для анализа спектральной отражательной способности объектов земной поверхности, относятся синий (0.45—0.52 мкм), зеленый (0.525-0.605 мкм), красный (0.63-0.690 мкм), ближний (0.75-0.90 мкм) и средние инфракрасные (ИК) (1.55-1.75; 2.08-2.35 мкм). Перечисленные диапазоны соответствуют основным каналам большинства космических сенсоров.
К настоящему времени по проблеме выявления наиболее информативных спектральных показателей по космическим снимкам для анализа параметров лесных фитоценозов выполнен ряд успешных зарубежных работ (Foody et al., 2001; Gerylo et al., 2002; Phua, Satino, 2003; Lu etal., 2004; Chen, Zhao, 2007). Подобные исследования ведутся для бореальных, умеренных и тропических лесов. При этом наиболее информативные показатели, выявленные в ходе этих исследований, показывают сильную корреляционную связь с возрастом, высотой, биомассой лесных насаждений (Lu et al., 2004). Планировалось ответить на вопрос, какой спектральный диапазон, на примере каналов данных LANDSAT TM, наиболее предпочтителен для анализа возраста, высоты или диаметра лесного, преимущественно дубового насаждения, типичного для лесостепной провинции Среднерусской возвышенности. Исследования проводились на примере лесных массивов Белгородской области.
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Территория Белгородской области расположена в южной части Среднерусской возвышенности и практически полностью относится к лесостепной зоне. Незначительная юго-восточная часть области (Вейделевский и Ровеньский районы) отнесена к зоне степей. Характерная особенность округа Курской лесостепи — чередование в ландшафте лесных островов с открытыми пространствами, ранее представленными разнотравными степями, а позднее распаханными.
По данным государственного лесного учета, общая площадь всех лесов Белгородской области составляет 246.2 тыс. га, в том числе покрытая лесом — 232.4 тыс. га, лесистость 8.6% (Авраменко и др., 2007; 2008). Показатель лесистости области приблизительно соответствует средней лесистости Центрально-Черноземного региона, которая составляет 8.7% (Бугаев и др., 2006). В составе лесов преобладают твердолиственные породы, которые занимают площадь 173.5 тыс. га, или 85.0% от покрытой лесом площади, из них дуба черешчатого — 161.5 тыс. га. Хвойные насаждения занимают 19.1 тыс. га — 9.4% и мягколиственные породы — 11.4 тыс. га, или 5.6%. Таким образом, леса региона представлены в своем большинстве массивами дуба черешчатого, являющегося особо ценной породой.
Средний возраст хвойных насаждений равен 42 годам, твердолиственных — 60 годам, мягко-лиственных — 34 годам. По возрасту молодняки занимают площадь 41.7 тыс. га (20.4%), средневозрастные — 146.5 тыс. га (71.8%), приспевающие — 9.8 тыс. га (4.8%), спелые и перестойные — 6.1 тыс. га (3.0%). По территории области леса распределены неравномерно. В ряде районов — Шебекинском, Валуйском, Старооскольском, Чернянском — расположены достаточно крупные лесные массивы, однако большей частью леса представлены небольшими урочищами по оврагам и балкам, водоразделам, правым берегам рек.
В качестве объектов исследования использовали группу лесных массивов. Это урочища "Не-жегольская Дача", "Мелкий Лес", "Ездоченская Дача". Все лесные участки были выбраны на основе материалов лесоустройства с таким учетом, чтобы они являлись типичными для региона и по ним можно было создать репрезентативную выборку характеристик лесных насаждений. Расположение объектов исследования на территории Белгородской области показано на рис. 1.
В дальнейшем мы будем называть массив Мелкий лес — Борисовским участком, массив Нежегольская Дача — Шебекинским, Ездоченская Дача — Чернянским, по названию админи-
стративных районов области, в которых они расположены.
В качестве материалов спутниковой съемки применялся комической снимок Landsat TM 5, от 25.08.1995 г. Съемка с аппаратов этого типа обладает наиболее оптимальным сочетанием целого ряда факторов (количество и диапазоны используемых каналов, пространственное и радиометрическое разрешение, обширный охват территории одной спутниковой сценой, наличие надежных алгоритмов предварительной коррекции), что обусловило ее выбор для анализа. Выбор даты съемки обусловлен максимальной близостью к срокам выполнения последних комплексных лесоустроительных работ, которые для всех объектов исследования были проведены в период 1994-1995 гг.
Следует отметить, что для получения более полной картины об информативности спектральных диапазонов целесообразно было использовать снимки разных месяцев вегетационного периода. Однако снимки Landsat, полученные за другие месяцы вегетационных сезонов 19941995 гг., имели значительный процент облачности, не позволяющий применить их в исследовании.
Снимок Landsat TM содержит семь каналов, но нами в исследовании использованы каналы 1-5 и 7. Тепловой канал 6 не использовался. Каналы снимка соответствуют следующим диапазонам спектра: синему, зеленому, красному, ближнему ИК и среднему ИК, которому в свою очередь соответствуют два канала. Пространственное разрешение всех используемых каналов составляет 30 м/пиксел, радиометрическое разрешение — 8 бит. Размер спутниковой сцены составляет 180 х х 185 км. Применялись данные наиболее высокого первичного уровня обработки — L1T, включающего начальную радиометрическую коррекцию, ортотрансформирование с применением глобальной цифровой модели местности GLS 2000 и географическую привязку с использованием наземных точек корректировки. В планетарной схеме пролетов спутника сцена расположена в 177 колонке и 25 ряду (path 177, row 025) и покрывает территорию всех объектов исследования. Материалы спутниковой съемки были получены из интернет-архива геологической службы США (USGS).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Чтобы ответить на вопрос, какой спектральный диапазон является наиболее информативным для оценки возраста, высоты или диаметра насаждений, необходимо разработать и реализовать последовательность действий, направленную на соотнесение материалов наземных обсле-
36° Е 37° Е 38° Е 39° Е
50° N
50° N
' 1 * " ; го ^
У*2
)
51° N
50° N
36° Е 37° Е 38° Е 39° Е
Рис. 1. Карта расположения объектов исследования на территории Белгородской области: 1 — Мелкий Лес, 2 — Неже-гольская Дача, 3 — Ездоченская Дача. Контуры внутри границы области отображают административно-территориальное деление региона.
дований с результатами обработки космической съемки.
Для этой цели предложена последовательность, включающая следующие этапы:
1. Сбор информации о параметрах лесных массивов и формирование на их основании базы данных, привязанной к картографической основе.
2. Формирование выборки из лесных выделов на основе полученной базы данных, однородных по породному составу и типу лесорастительных условий.
3. Создание оценочной площади в каждом выделе полученной выборки для последующего анализа в ней спектральных характеристик насаждений. Совокупностью оценочных площадей сформируется региональная сеть для оценки параметров насаждений и их спектральных характеристик.
4. Расчет средних значений спектральных диапазонов в каждой исследовательской площади.
5. Проведение статистической обработки полученных данных, направленной на выявление наиболее информативных показателей. Стати-
стическая обработка состояла в корреляционном и дисперсионном анализе данных.
Для реализации перечисленных этапов применялись следующие группы методов: обработка данных ДЗ, геоинформационный и статистический анализы данных.
Данные лесоинвентаризационных обследований и их анализ
Развертывание исследовательских площадей должно быть основано на материалах комплексных полевых лесоустроительных обследований, которые были
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.