ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 1, с. 57-65
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 528.88
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОБЪЕМА ФИТОМАССЫ И ДРУГИХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫХ
СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
© 2007 г. В. В. Козодеров1, Т. В. Кондранин2, |В. С. Косолапов, В. А. Головко4, Е. В. Дмитриев3
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 2Московский физико-технический институт (государственный университет) 3Институт вычислительной математики Российской академии наук, Москва 4Научно-исследовательский центр космической метеорологии "Планета", Москва E-mail: 1vkozod@mes.msu.ru; 2kondr@kondr.rector.mipt.ru; 4golovko@planet.iitp.ru Поступила в редакцию 18.07.2006 г.
Рассматриваются новые подходы к количественной оценке объема фитомассы и других параметров состояния растительности (породный состав лесных насаждений, тип подстилающей поверхности и др.) в развитии известных методов обработки многоспектральных космических изображений. Показаны возможности восстановления соответствующих параметров для каждого элемента обрабатываемого изображения. Продемонстрированы примеры получения новой информационной продукции при обработке изображений аппаратуры MODIS спутника Terra при использовании абсолютных энергетических характеристик данной измерительной системы и результатов моделирования полей уходящего излучения.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы одним из основных требований, предъявляемых к данным дистанционного зондирования (ДЗ), получаемым космическими аппаратами различного назначения, является повышение потребительских свойств конечной информационной продукции ДЗ как в интересах научных исследований, так, в особенности, и для решения прикладных задач [1]. Это обстоятельство обусловило необходимость, с одной стороны, реализации новых научно-технологических решений, связанных с повышением информативности бортового и наземного сегментов космической системы ДЗ, а, с другой, - разработки новых подходов усвоения, обработки и интерпретации получаемой информации. Эти подходы должны быть ориентированы на получение результатов, представляющих практический интерес, использование которых для конкретного потребителя позволит повысить эффективность научной или прикладной деятельности. Поэтому модернизация существующих и создание новых методов анализа данных ДЗ представляет собой стратегический путь развития соответствующей отрасли знаний.
Теоретические основы создания физико-математических моделей, ориентированных на повышение информативности процедур получения, использования и анализа соответствующих данных
ДЗ и, в конечном счете, повышение достоверности и практической значимости результатов и получение новых знаний о природных процессах и функционировании природных систем изложены в [2, 3]. Следует отметить, что рассматриваемая проблема в целом представляет собой междисциплинарное направление, получившее название "космическое землеведение". Это направление объединяет решение прямых задач формирования и трансформации излучения в системе "подстилающая поверхность - атмосфера - приемная аппаратура ДЗ", постановку обратных задач с привлечением результатов исследований в области физики атмосферы, почвенно-геологических и других исследований, достижения в области распознавания образов и анализа сцен, применение современных методов вычислительной математики, компьютерных и геоинформационных технологий с целью разработки адекватных алгоритмов и их программной реализации, а также Web- и Интернет-технологий. Возможности развития новых приложений данных ДЗ для решения важнейшей задачи оценки состояния природной среды - восстановления величины зеленой фитомассы (листвы, хвои и др.) растительности - впервые были показаны в работах [4, 5]. В контексте реализации практических технологий мониторинга природной среды с использованием данных аэрокосмического ДЗ в видимой, ближней инфракрасной (ИК) и микроволновой областях
спектра предложенные подходы получили дальнейшее развитие в [6-8].
Цель настоящей работы - комплексная отработка новых физико-математических моделей, соответствующих алгоритмов и расчетных программ, а также в расчетно-параметрическом исследовании технологии количественной оценки состояния природно-техногенной сферы (лесные и другие экосистемы) с использованием многоспектральных данных ДЗ, получаемых новейшими космическими системами (КА Terra, Aqua, Spot и др.) и локального мониторинга (наземные измерения и средства малой авиации).
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Основной формой отображения данных спутникового ДЗ являются многоспектральные изображения разного пространственного разрешения. Исходные данные представляются в виде матриц цифровых эквивалентов (абсолютные значения интенсивности восходящего излучения), соответствующих измерительным каналам. Поэтому наряду с широким применением математических моделей обработки, адекватных вычислительных процедур, методов анализа и интерпретации данных, становится возможным эффективное применение технологий географических информационных систем (ГИС) с использованием региональных цифровых баз данных различного назначения. При практической реализации вычислительных процедур "космического землеведения" следует учитывать ряд существенных особенностей. Во-первых, для количественной оценки параметров состояния объектов по их многоспектральным изображениям требуются абсолютно калиброванные измерительные данные, энергетические характеристики которых в процессе обработки необходимо увязывать с результатами математического моделирования поля уходящего излучения. Во-вторых, для получения конкретных признаков состояния наблюдаемых природных объектов (потребительские характеристики) по данным регистрируемых полей уходящего излучения, необходима разработка обоснованных процедур преобразования данных ДЗ в параметры, характеризующие состояние соответствующих объектов.
Необходимо отметить еще одну важную особенность практических технологий "космического землеведения". При неоспоримых достоинствах космических систем ДЗ, которые, в первую очередь, определяются возможностью оперативности получения информации, обзорностью, одномоментным охватом больших площадей, соответствующих целостным природно-антропогенным экосистемам, материалы космических съемок имеют определенные ограничения. Так, например, значительные объемы данных ДЗ, получаемых в оптическом диапазоне, могут оказаться невостребованными в связи с тем, что большая часть кон-
кретной территории может быть закрыта облачностью. Кроме того, при решении задач мониторинга некоторых объектов природно-техногенной сферы, характеризующихся существенной пространственной неоднородностью (лесные экосистемы на фоне природной и техногенной неоднородности, гидротехнические объекты, линии электропередач, нефте- и газотранспортные системы, автомобильные и железнодорожные магистрали и др.), использование данных космических ДЗ для дешифрирования подобных объектов оказывается экономически неэффективным. В этой связи представляет интерес развитие новых технологий контроля и мониторинга соответствующих объектов, основанных на совместном использовании данных космического ДЗ и данных, получаемых средствами локального мониторинга на базе ультра-легких авиасредств [9, 10].
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.
ТРАДИЦИОННЫЕ ПОДХОДЫ,
ОСНОВАННЫЕ НА ЭМПИРИЧЕСКИХ МЕТОДАХ
Наиболее существенные результаты по проблеме практического внедрения методов количественной оценки состояния растительности в природных экосистемах с использованием данных ДЗ получены в рамках исследований, выполненных в последние годы в ведущих центрах Канады, Европейского Союза и США [11—13].
Проект Канадской Лесной Службы [11] "Расширенное управление связей между экофизиоло-гическими процессами и продуктивностью лесов" ECOLEAP (Extended Concertation to Link Ecophysi-ology and Forest Productivity) направлен на оценку биологической продуктивности лесов на выбранных тестовых участках с использованием данных ДЗ и технологий ГИС. По результатам контрольных наземных измерений уточняются модели чистой первичной продукции экосистем - скорости запасания углерода в процессе фотосинтеза. Приложения разрабатываемых моделей так называемых экофизиологических процессов используются для изучения изменений климата в отдельных "резервуарах углерода" (модельных схемах описания обменных процессов) для выбранных типов лесных и других экосистем. При изучении экофизиологических процессов (фотосинтеза и эвапо-транспирации - совместного эффекта испарения влаги и дыхания растительности и др.) в наземных условиях регистрируются значения фотосинтети-чески активной радиации (ФАР) - той части падающего излучения, которая характеризует функционирование живой растительности в процессе синтезирования углеродных соединений. Данные ДЗ используются для перехода от уровня отдельных тестовых участков на уровень отдельных ландшафтов: оценки чистой первичной продукции с тестовых участков переносятся на большие
площади. По данным аппаратуры TM (Thematic Mapper) спутников Landsat проводится стандартная классификация наблюдаемых объектов; параметры состояния получаемых классов лесной растительности интерполируются с выбранных участков наземных обследований.
В указанном проекте, как и в других аналогичных проектах биогеографических исследований, основной акцент сделан на сбор и систематизацию данных наземных обследований состояния почвенно-растительного покрова на выбранных тестовых участках. Исследуются эмпирические связи между измеряемыми величинами энерго- и массообмена на разных высотах полога леса - от земной поверхности до специально оборудованных вышек и значениями фитомассы листвы/хвои, а также первичной продуктивности лесных и других экосистем. Измеряются микроклиматические характеристики выбранных участков (прямое и рассеянное солнечное излучение, тепловые потоки, радиационный баланс, температура воздуха и почвы, относительная влажность воздуха, влажность почвы на разных горизонтах, атмосферные осадки и др.). Проводится химический анализ выбранных образцов фитомассы (содержание в них а
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.