научная статья по теме МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСОВ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИЯ В ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСОВ»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 5, с. 13-29

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 630*165.1: 630*165.52

МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНАЯ ДИСТАНЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИЯ

В ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСОВ*

© 2014 г. Ю. Г. Пузаченко1, Р. Б. Сандлерский1, А. Н. Кренке2, Ю. М. Пузаченко2

1 Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33 2 Институт географии РАН 119017, Москва, Старомонетный переулок, д. 29 E-mail: jpuzak@mail.ru Поступила в редакцию 16.08.2013 г.

Предложены подходы к использованию мультиспектральной дистанционной информации в фундаментальных исследованиях пространственно-временной организации биогеоценотического покрова без и с применением наземных полевых измерений. Постулируется, что дистанционные измерения отражают биофизическое состояние биогеоценотического покрова, определяемое процессами поглощения и преобразования солнечной энергии и могут рассматриваться как его свойства. Измерения интерпретируются с позиции термодинамики диссипативных открытых систем. При объединении дистанционной информации с наземными измерениями в соответствии с представлениями синергетики отобраны параметры порядка, которые рассматриваются в отношении к управляющему параметру - рельефу. Отмечены широкие возможности использования результатов фундаментальных исследований в решении практических задач, связанных с управлением биологическими ресурсами.

Мультиспектральные и гиперспектральные измерения отраженной солнечной радиации со спутников безусловно являются наиболее информативной системой оценки состояния экосистем в широком диапазоне пространственных масштабов в различные интервалы времени. Механизмы, лежащие в основе поглощения солнечной радиации и преобразования ее в полезную работу, определяют функционирование как каждого конкретного биогеоценоза, так и всей биосферы. Эти механизмы, определяющие работу сложной системы, скорее всего, поняты лишь в первом приближении [22, 29, 31, 37]. Преобразование солнечной энергии связано со всеми иерархическими уровнями организации живого вещества - от молекулярного до уровня сообщества. Оно специфично для каждого уровня и зависит как от автохтонных процессов и самоорганизации живого вещества, так и от изменения состояний среды во времени и пространстве. Технические возможности мульти-спектрального измерения отраженной солнечной радиации создают новые условия для разработки проблем функционирования сложной биологи-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты №№ 12-05-00060-а, 13-05-12003-офи_м)

ческой системы, ее пространственно-временной самоорганизации, устойчивости, адаптируемости и направления эволюции в широком диапазоне условий среды.

Вместе с тем, исторически область применения дистанционных измерений в основном связывается с желанием опосредованно измерить отдельные свойства растительности, имеющие практическое значение: биологическую продукцию, запас фитомассы, транспирацию, содержание пигментов, "здоровье" и т.п., а также содействовать построению карт состояния растительности. В разработке этих направлений достигнуты значительные успехи. Однако они никоим образом не исчерпывают возможностей, открывающихся для исследования сложных систем. В настоящем сообщении рассматриваются некоторые из возможных подходов в исследовании организации лесной растительности как сложной системы. Основой для этих подходов являются представления синергетики, термодинамики и теории информации. Конечной целью такого рода исследований является выявление форм и правил организации живого вещества и определяющих их механизмов. Полное исчерпание этой темы, скорее всего, невозможно, и скорее можно говорить о некото-

ром движении в этом направлении. Очевидно, что в рамках этой фундаментальной проблемы решаются и некоторые прикладные задачи, которые можно рассматривать как естественный частный результат общего подхода. В сообщении рассматриваются два связанных направления:

1. Анализ организации и функционирования на основе мультиспектральной дистанционной информации как системы измерения без использования наземной информации, собираемой в поле.

2. Интеграция дистанционных и наземных полевых измерений состояния компонентов экосистем.

В настоящей работе мы демонстрируем некоторые первые результаты и пытаемся наметить наиболее перспективные направления исследований.

ИССЛЕДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ

И ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

В мировой практике в рамках этого направления наиболее активно разрабатываются вегетационные индексы, теоретической основой которых является наличие у различных пигментов и соединений специфических спектральных полос поглощения, в которых величина отражения во многом есть функция их содержания, и полос, в которых отражение не зависит от их концентрации. Последние рассматриваются как "ноль" отсчета. Разность или отношение между отражениями в этих спектральных полосах определяет соответствующий индекс. Деление разности на сумму отражения в двух сравниваемых полосах позволяет снизить зависимость индекса от прихода солнечной радиации, или влияние на общее поглощение внешних условий. Наиболее широко применяющийся нормализованный дифференциальный индекс растительности NDVI строится на разности отражения в ближнем инфракрасном и красном каналах [28]. Отражение в инфракрасном канале растет пропорционально развитию мезофилла, а в красном снижается с увеличением содержания хлорофилла а и Ь. Соответственно, чем больше значение индекса, тем больше продукция. Однако эта зависимость нелинейна, а величина индекса зависит не только от биологической продукции. Искажения создают, в частности, прозрачность атмосферы, просвечивающая через полог растительности поверхность почвы, структура полога, некоторая видоспецифичность индекса и т.п. Усилия в разработке каждого типа индексов направлены на устранение влияния таких помех. В целом для гиперспектральных

измерений разработаны индексы для оценки содержания практически всех пигментов, воды, а также общего состояния растительности, и большие усилия направлены на их верификацию (см., например, [24, 32, 38]).

Б.Е. Jorgensen и У.М. БукегИсу [30] предложен переход от спектральных измерений отраженной солнечной радиации к термодинамическим переменным - энтропии отраженной солнечной радиации (Б011), приращению информации (К) и эксергии (Ех).

о _ X 1 с

¿0Ш - /Ро 1пРо

о-1

где р о

доля отраженной энергии в спек-

тральном диапазоне о от суммарной отраженной энергии (е0м- отраженная радиация в о, Е°ш - сумма отраженной радиации). На основе информационной энтропии вводится мера организации [20]:

Я = 1 _ ^0и1/^тах, ^тах = 1пВ,

где В - число полос солнечного спектра, в которых измеряется солнечная радиация. В общем случае большая организация подразумевает большую эффективность выполнения целевой функции системы.

Приращение информации Кульбака измеряет расстояние системы от равновесия, в нашем случае - от спектра солнечной радиации (Еш).

К - / р 0? 1п

о-1

Р о

Р о

где р х

доля пришедшей энергии в спек-

тральном диапазоне о от суммарной поступившей энергии. В первом приближении в1] принимается равной солнечной постоянной. Если система равновесная, то К - 0 и полезная работа системы тождественна свободной энергии. Чем больше К, тем больше возможная полезная работа.

Приращение информации, как и организация, в первую очередь связана с саморазвитием системы, но также и с функциями внешних сил. Полезная работа системы (эксергия) определяется как:

Ех

- Е0Ш [К + 1п-

+Я,

где Я - Е'п - Е°"' - поглощенная энергия, а Е0Ш/Ет - альбедо. Эксергия - работа, в основном затрачиваемая на эвапотранспирацию и лишь в

в

о

0Ы1

в

о

очень малой степени на фотосинтез. Таким образом, общее уравнение баланса энергии:

R = Ex + STW+DU,

где STW - связанная энергия (bound energy), не используемая для работы (диссипация), есть

STW = TW х Sou,

где TW - тепловой поток от деятельной поверхности, измеряемый, например, спутником Landsat в шестом, длинноволновом канале; DU - приращение внутренней энергии в системе, связываемое с затратами энергии на взаимодействие ее компонентов.

Теоретические основания и некоторые результаты использования этих переменных рассмотрены S.E. Jorgensen и Y.M. Svirezhev, Ю.Г. Пузачен-ко и Р.Б. Сандлерским [19, 34]. Прямые измерения в спектральных каналах, индексы, рассчитанные на их основе и интегральные термодинамические переменные определяют возможное пространство переменных. При этом различные индексы вегетации можно рассматривать как производные по спектру отражения.

В соответствии с представлениями синергетики [21] сложная система организуется параметрами порядка. Их число заведомо меньше числа исходных переменных, каждая из которых является их функцией. Параметры порядка можно рассматривать как отображения некоторых относительно независимых подсистем, каждая из которых имеет свой физический смысл. В свою очередь параметры порядка зависят от действия внешних сил - управляющих параметров. Изменения управляющих параметров могут приводить к скачкообразным изменениям параметра порядка. Выделение параметров порядка можно осуществлять различными ортогональными преобразованиями: Грамма - Шмита (Tasseled Cap), главных компонент, многомерным шкалированием. Первые два метода наиболее приемлемы для нормальных совокупностей и линейных систем, при этом преобразование Грамма - Шмита опирается на скалярное произведение векторов, а метод главных компонент - на матрицу ковариаций. Многомерное шкалирование может использовать различные метрики дистанций и менее чувствительно к нелинейностям, но несколько более громоздко в вычислениях. Наиболее адекватная метрика и наиболее адекватный метод идентификации параметров порядка должен обеспечивать наилучшее качество отображения переменных и наибольшую дисперсию или энтропию парамет-

ров порядка при минимуме их нелинейной зависимости.

Дискретный метод исследования пространственной организации переменных системы можно организовать на основе кластер-анализа. Однако для этого необходимо сформулировать критерии адекватности получаемой классификации реальности. Так же как в первом непре

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