ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2011, № 6, с. 3-15
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 630*528.8: 574.4: 912.43:630
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕМЫ ГЛОБАЛЬНОГО СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ
© 2011 г. С. А. Барталев1, Д. В. Ершов2, А. С. Исаев2, Е. А. Лупян1
1 Институт космических исследований РАН 117997 Москва, Профсоюзная ул., 84/32 e-mail: smis@smis.iki.rssi.ru 2 Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117997 Москва, Профсоюзная ул., 84/32 e-mail: ebch@cepl.rssi.ru Поступила в редакцию 23.04.2011 г.
Леса планеты в силу важности выполняемых ими экологических, социальных и экономических функций, находясь в условиях нарастающего воздействия различных, часто деструктивных природных и антропогенных факторов, привлекают все большее внимание ученых, политических институтов и общественных организаций. Пройдя вместе с мировой космонавтикой 50-летний путь своего развития, спутниковый мониторинг лесов к настоящему времени приобрел черты одной из наиболее наукоемких и высокотехнологических областей человеческой деятельности. Современный этап развития спутникового мониторинга лесов характеризуется использованием широкого спектра орбитальных систем дистанционного зондирования Земли, высокоразвитых информационных и коммуникационных технологий, наличием многолетних глобальных банков данных дистанционных измерений и методов их автоматической обработки, интерфейсов эффективного доступа пользователей к получаемым результатам. Совокупность существующих предпосылок обусловливает своевременность практической постановки задачи разработки системы глобального спутникового мониторинга лесов Земли как инструмента, необходимого для рационального использования лесных ресурсов, сохранения биоразнообразия экосистем, фундаментальных исследований биосферных и климатических изменений.
Глобальный спутниковый мониторинг лесов, картографирование земного покрова, наземные экосистемы, выявление изменений в лесах, временные серии спутниковых изображений.
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ
Согласно последним данным ФАО1 ООН [3] покрытая лесом площадь Земли оценивается в 40 млн км2, что составляет примерно 31% мирового земельного фонда (без учета Антарктиды и Гренландии). При этом на пять наиболее богатых лесами стран (Российская Федерация, Бразилия, Канада, США и Китай) приходится две трети всей лесной площади мира.
Выполняя множество экологических (клима-тообразующая, водоохранная и т.д.), экономических, социальных и других важнейших функций, леса планеты представляют собой феномен все-
1 ФАО (Food and Agriculture Organisation) - межправитель-
ственная организация, созданная в рамках ООН с целью сбора и анализа информации по вопросам продовольствия.
мирного значения. Вместе с тем в мире сохраняются достаточно высокие темпы сокращения площади лесов (в среднем за последнее десятилетие - около 13 млн га в год [3]) в результате их гибели под воздействием различных природных и антропогенных факторов, вырубок и экспансии сельскохозяйственных земель.
В силу понимания необходимости получения актуальной и объективной информации о состоянии лесов планеты ФАО ООН каждые пять лет осуществляет их глобальную оценку, последняя из которых была завершена в 2010 г. При выполнении программы глобальной оценки лесных ресурсов в 2010 г., наряду с традиционно поступающими из стран материалами национальной статистики, ФАО ООН впервые в своей практике использовала в масштабах всей планеты данные дистанционного зондирования Земли со спутни-
ков для получения независимой и географически однородной информации о лесном покрове [39].
Этот шаг, безусловно, был подготовлен многолетними исследованиями и разработками в области глобального спутникового мониторинга окружающей среды, проводимыми начиная примерно с середины 1990-х гг. рядом научно-исследовательских организаций в рамках крупных международных программ и национальных проектов отдельных государств. К последним можно отнести США и некоторые развитые страны Европейского союза, такие как Бельгия, Германия и Франция.
Первый, заслуживающий, на наш взгляд, упоминания в данном контексте опыт спутникового картографирования лесов планеты, был получен в рамках Международной геосферно-биосфер-ной программы (проект IGBP-DISCover [33]) на основе данных радиометра NOAA-AVHRR, собранных сетью наземных приемных станций в 1992-1993 гг. Выполнение проекта позволило создать глобальную карту земного покрова с пространственным разрешением около 1 км и легендой, включающей 17 тематических классов, в том числе пять различных типов лесов. В дальнейшем на основе повторной, более глубокой обработки этого же набора данных NOAA-AVHRR в Университете штата Мэриленд (США) была получена более точная версия карты земного покрова [28].
Методология глобального спутникового картографирования лесов получила развитие в рамках международного проекта Global Land Cover 2000 (GLC2000), координируемого Объединенным исследовательским центром Европейской комиссии [17]. В основу проекта было положено использование данных с пространственным разрешением около 1 км, полученных прибором VEGETATION со спутника SPOT-4. Несмотря на близкую величину пространственного разрешения, глобальная карта земного покрова GLC2000 отличается более высокими по сравнению с картой IGBP-DISCover уровнями тематической детальности и точности. Легенда GLC2000 содержит 22 класса земной поверхности, а формальная процедура валидации, выполненная сетью региональных экспертов на основе спутниковых изображений Landsat-ETM+, позволила получить интегральную оценку точности распознавания классов 68.6% [34]. Введение дополнительного параметра, так называемого "тематического расстояния", при оценке точности распознавания классов привело к росту этой величины до 90.3%.
Дальнейшее развитие глобального спутникового картографирования лесов сопряжено с
появлением спектрорадиометра MODIS, осуществляющего со спутников Terra и Aqua измерения отраженного и собственного излучения поверхности в 36 диапазонах длин волн с пространственным разрешением 250 м, 500 м и 1 км в зависимости от спектрального канала. Разработанная в Университете г. Бостона (США) [20] автоматическая технология обеспечивает возможность ежегодного глобального картографирования земного покрова по данным MODIS с пространственным разрешением 500 м и выделением множества классов согласно легенде IGBP-DISCover.
К числу последних разработок в области глобального спутникового картографирования лесов можно отнести проект GlobCover [14], целью которого являлась разработка автоматической технологии построения карт земного покрова планеты на основе данных прибора Envisat-MERIS. Полученные в рамках проекта GlobCover глобальные карты лесов основаны на результатах наблюдений 2005 и 2009 гг., имеют пространственное разрешение 300 м и близкую к карте GLC2000 легенду.
Дополнительная информация об упомянутых выше и некоторых других проектах по глобальному картографированию лесов содержится в табл. 1.
Рассматривая методические вопросы спутникового картографирования лесов, нельзя не отметить важность наличия формализованных критериев определения классов легенды, основанных на общих для создаваемых карт принципах и не допускающих неоднозначностей содержательной интерпретации. Это позволяет обеспечить принципиальную возможность сопоставления полученных в разное время разнородных глобальных карт и оценки на их основе динамики лесного покрова. Принципиально новым шагом к унификации подходов к тематическому описанию классов явилась разработанная ФАО ООН система классификации земного покрова LCCS (Land Cover Classification System) [18], ставшая "де-факто" стандартом и эффективным инструментом формирования легенд глобальных спутниковых карт лесов.
Современные инструментальные возможности глобального спутникового картографирования лесов характеризуются и наличием методов оценки его характеристик в непрерывных шкалах, в качестве подхода, альтернативного заданию ограниченного числа тематических классов на основе предварительно выбранных пороговых критериев. К числу наиболее широко используемых глобальных продуктов этого класса относится
Таблица 1. Основные проекты глобального спутникового картографирования лесов
Про-
Проект Спутниковая странст- Обновляемость Разработчик Год публи-
система венное разрешение карты кации
IGBP-DISCover NOAA-AVHRR 1 км Нет Международная геосфер-но-биосферная программа 1999
UML NOAA-AVHRR 1 км Нет Университет штата Мэриленд (США) 2000
TREES [12] NOAA-AVHRR 1 км Нет Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии 2001
GLC2000 SPOT-VGT 1 км Нет То же 2005
VCF MODIS 500 м Да Университет штата Южная Дакота (США) 2005
GlobCover Envisat-MERIS 300 м Да Европейское космическое агентство 2008
MODIS LC MODIS 500 м Да Университет г. Бостона (США) 2010
TREES - проект по глобальному спутниковому мониторингу тропических лесов.
созданная в Университете штата Южная Дакота (США) база данных VCF (Vegetation Continuous Fields), характеризующая проективное покрытие территории древесной растительностью [29].
Существенное развитие получили и методы глобального мониторинга растительных пожаров, включая детектирование активных очагов горения и картографирование поврежденных лесов и других наземных экосистем. Не останавливаясь на анализе отдельных проектов по глобальному мониторингу пожаров, основные из которых приведены в табл. 2, отметим, что они базируются на использовании спутниковых данных низкого пространственного разрешения, получаемых системами NOAA-AVHRR, MODIS, SPOT-Vegetation, ERS-ATSR и Envisat-AATSR.
Одновременно следует отметить, что, несмотря на очевидную практическую важность получения данных о степени повреждения и гибели лесов в результате пожаров, использование спутниковых данных для решения этой задачи на глобальном уровне пока не получило развития. Несмотря на проводимые исследования и разработки [48], еще не получено законченных результатов и в области глобального спутникового мониторинга изменений в лесах под воздействием насекомых-вредителей, вырубок и отличных от пожаров деструктив
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.