научная статья по теме ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ СПЛОШНОЙ РУБКИ С ЗИМНИХ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ СРЕДНЕГО РАЗРЕШЕНИЯ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ СПЛОШНОЙ РУБКИ С ЗИМНИХ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ СРЕДНЕГО РАЗРЕШЕНИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 6, с. 25-33

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

УДК 528.852.8

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ СПЛОШНОЙ РУБКИ С ЗИМНИХ СПУТНИКОВЫХ СНИМКОВ

СРЕДНЕГО РАЗРЕШЕНИЯ © 2008 г. Ю. А. Буденкова

Эстонский университет естественных наук, Тарту, Эстония Тартуская обсерватория, Тыравере, Эстония Тел.: +372 731 3145, +372 5393 2829; е-mail: julia.budenkova@emu.ee Поступила в редакцию 05.03.2008 г.

Исследуется влияние параметров вырубки, характеризующих ее размер, возраст, ближайшее окружение, форму и условия местопроизрастания леса, на результаты классификации сплошной рубки по зимним снимкам (со сплошным снежным покровом) среднего пространственного разрешения со спутника Landsat Thematic Mapper (TM). Географической областью исследования являлась южная Эстония. Результаты статистического анализа выявили влияние на результаты классификации таких параметров вырубки (в порядке убывания значимости), как средняя яркость пикселов вырубки на разностном снимке, соседство вырубки с лиственным и хвойным лесом и индекс формы (соотношение площади и периметра вырубки). Показано, что возраст вырубки и условия местопроизрастания статистически важного влияния на результаты классификации не оказывают.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных задач дистанционного зондирования Земли является мониторинг изменений окружающей среды. Причины этих изменений могут быть природными, антропогенными, а также комбинированными. Нагляднее всего проявляются относительно кратковременные изменения, связанные с интенсивным землепользованием [1]. В лесной геосистеме самым значительным изменением, вызванным антропогенной деятельностью, является сплошная рубка.

Картографирование сплошных рубок считается одним из успешных применений спутниковых изображений в мониторинге природных ресурсов [2—5], поскольку яркостные изменения, вызванные рубкой леса, достаточно хорошо регистрируются с помощью спутниковых сканеров оптического диапазона.

Для обнаружения изменений, произошедших в лесу за определенный отрезок времени, было разработано множество методик, но самым широко используемым методом как в лесоводстве, так и в зондировании растительного покрова в целом считается метод разностных снимков [6]. Данный метод основан на вычитании более раннего по времени оригинального или модифицированного (например, вегетационные индексы) снимка из позднего по времени снимка, который предварительно преобразовывается (нормализуется) в шкалу яркости первого из них [7]. Преобразование в единую шкалу яркости проводится с целью компенсации различий в освещенности и

состоянии атмосферы у снимков, сделанных в разное время, а также для устранения искажений, вносимых самими датчиками и устройствами передачи и приема данных (системных искажений). На полученном снимке разности отображаются области, претерпевшие изменения за заданный снимками промежуток времени, а также области, где изменения отсутствуют. Для разделения указанных областей вводится пороговое значение, после прохождения которого снимок разности классифицируется на классы "изменение" и "отсутствие изменений".

Этот метод был использован для различения сплошной рубки от нетронутых участков леса на зимних спутниковых изображениях.

Цель данной работы — изучение возможного влияния параметров вырубки, описывающих ее размер, возраст, ближайшее окружение, форму и условия местопроизрастания леса, на результаты классификации сплошной рубки по зимним снимкам, полученным с помощью сканера ТМ с ИСЗ Ьа^а!.

Снимки спутника Ьапё8а1 достаточно успешно применяются для оценки площадей сплошных рубок, произошедших за 10—20 лет, на территориях средней величины (в несколько десятков тысяч квадратных километров). Хорошим примером в этой области является работа [2], в которой снимки спутника Ьапё8а1 были использованы для картографирования сплошной рубки за 22-летний период на северо-западе тихоокеанского региона Сев. Америки, обеспечивая точность картографирования лучше 90%.

Зима в бореальных и суббореальных широтах — это сезон, в который на спутниковых изображениях наблюдается наибольший контраст между двумя преобладающими классами ("лес" и "отсутствие леса"), поскольку лесные массивы со всех сторон окружены открытыми участками с ярким снежным покровом. Картографирование леса с зимних спутниковых снимков дает результаты с общей точностью, превышающей 90%, если сравнивать их с границами леса, полученными с аэроснимков [8]. Недавние исследования российских специалистов также подтверждают рациональность использования зимних спутниковых снимков в интересах лесного хозяйства [9].

Основной круг проблем настоящего исследования состоял в изучении влияния выбранного порогового значения на результаты классификации. Выбор порога при данном методе является наиболее важной процедурой, влияющей на результаты. При нахождении порогового значения, а в дальнейшем при оценке ошибок, количество и общая площадь вырубок на выбранной территории, полученные в ходе классификации, сравниваются с эталонными значениями, в качестве которых используются данные таксационных баз лесничеств.

В данной работе территорией, в пределах которой принимаемые решения были проверены и оценены, стали государственные леса лесничества Выру на юго-востоке Эстонии. Похожие условия местопроизрастания лесов и методы вырубки преобладают и в других странах Балтийского региона, а также в Ленинградской и Псковской областях России. Исходя из этого, была оценена статистическая зависимость разницы площадей отдельных сплошных рубок, полученных в результате классификации спутниковых снимков при помощи найденного порогового значения и из таксационной базы данных лесничества, от параметров вырубки при условии, что на общих площадях достигнуто их равенство. Анализ в первую очередь был выполнен с данными разностного снимка третьего канала ТМ, т.е. красной области спектра. Далее было проанализировано, является ли одинаковой разница между площадями сплошных рубок, полученных в результате классификации и из таксационной базы лесничества, между разноканальными снимками сканера ТМ или нет, если во всех случаях использовалась одна и та же схема классификации.

Параметры вырубки, влияние которых оценивалось, были следующими:

— площадь вырубки по таксационной базе лесничества;

— средняя яркость пикселов вырубки на разностном снимке;

— возраст вырубки (количество лет, прошедших с момента вырубки до последнего по времени снимка);

— соседство с лесом (относительная длина периметра вырубки);

— соседство с хвойным лесом (относительная длина периметра вырубки);

— индекс формы (соотношение площади и периметра вырубки);

— условия местопроизрастания леса.

Сравнение зависимости разности площадей

сплошных рубок от параметров вырубки было проведено в условиях, когда пороговое значение в одном случае намеренно завышалось, а в другом занижалось по сравнению с найденным "истинным" порогом. Исходя из того, что одно принятое решение не эффективно в пространстве решений повсеместно, была выполнена проверка факта: являются ли одни параметры вырубки более чувствительными к ошибочно выбранным порогам, чем другие. Пороговое значение находится, исходя из анализа распределения частот яркости пикселов на разностном снимке, гистограмма которого часто имеет форму нормального распределения. Значения пикселов, принадлежащих классу изменений, находятся в "хвостах" гистограммы, а значения неизменившихся пикселов располагаются в области среднего арифметического. Пороговое значение для отделения пикселов изменений от пикселов с отсутствием изменений находится на некотором расстоянии по оси яркостей от среднего арифметического, причем это расстояние обычно измеряется в единицах стандартного отклонения. Завышение и занижение порогового значения было сделано в два шага по 0.1 стандартного отклонения каждый.

ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Территорией, в пределах которой принимаемые решения по обработке и пространственному анализу спутниковых снимков проверялись и оценивались, являлось лесничество Выру, принадлежащее Центру управления государственными лесами Эстонии. Лесничество Выру расположено на юго-востоке Эстонии примерно в 50 км от Чудского оз. и в 30 км от границы Эстонии и России. Общая площадь лесничества составляет 14 360 га, из которых 11 626 га (или 81%) занимают леса. Сосна является доминирующей породой более чем на половине лесной территории (59%), в равных долях (по 18%) растут ель и береза. Больше всего лесов соответствует перегнойно-болот-ному (22%), брусничному (20%), кисличному (16%) и кислично-черничному (11%) типам.

Для картографирования сплошной рубки по спутниковым изображениям среднего простран-

ственного разрешения были использованы снимки сканера ТМ ИСЗ Landsat с размером пиксела в 30 м на поверхности Земли, которые были сделаны в условиях сплошного снежного покрова 19 марта 1996 г. и 24 февраля 2005 г. В данной работе использовались снимки следующих спектральных каналов TM: первого (синего), второго (зеленого), третьего (красного), четвертого (ближнего инфракрасного), пятого (среднего инфракрасного) и седьмого (среднего инфракрасного).

Для распознавания сплошной рубки были использованы таксационная база данных 2002 г. и векторная карта выделов лесничества Выру М 1 : 10000. Векторная карта использовалась для разграничения сплошной рубки при условии, что последняя проводилась в границах выделов. Также в качестве вспомогательных средств использовались аэроснимки исследуемой территории и Основная карта Эстонии М 1 : 10000.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Снимки спутника Landsat были геометрически привязаны к Эстонской системе координат (Lambert-Est) с разрешением пиксела в 25 м. Для обнаружения изменившихся участков леса (в том числе и сплошной рубки) был использован метод разности снимков, описанный ранее. Вычитание было проведено между снимками всех каналов оптического диапазона ТМ. Нахождение оптимального порогового значения для классификации разностного снимка на классы "вырубка" и "отсутствие вырубки" было проведено по территории леснич

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.

Показать целиком