ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 5, с. 54-64
_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _
СТАТЬИ
УДК 528.87/911.6
ВОЗМОЖНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СВЧ-РАДИОМЕТРИИ ДЛЯ ШИРОТНО-ЗОНАЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
© 2014 г. В. В. Мелентьев12, И. В. Мателенок1
1Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения 190000 Россия, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67 2Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена 199034 Россия, Санкт-Петербург, 14-я Линия В.О., 7б, офис 49 E-mail: vv.melentyev@mail.ru Поступила в редакцию 10.09.2013 г.
Разработана методика дифференциации ландшафтов Сибири по данным спутниковой сверхвысокочастотной (СВЧ) радиометрии. Она основана на двух алгоритмах автоматизированной классификации и двух наборах информативных признаков - индикаторов сезонной и межгодовой изменчивости СВЧ-сигнатур. Методика апробирована для территорий Западной Сибири вдоль трансекта меридиана 70° в.д. (ландшафтные зоны тундры, лесотундры, тайги, лиственных лесов, лесостепей и степей) на материале архива съемки СВЧ-радиометра AMSR-E за 2003-2011 гг. Эффективность методики оценена путем сравнения полученных спутниковых карт с картами традиционного ландшафтного районирования.
Ландшафтное районирование, радиояркостная температура, СВЧ-радиометрия, СВЧ-сигнату-ры, широтно-зональная дифференциация.
Геоэкосистемы Сибири, особенно расположенные в области распространения многолетнемерз-лых пород и грунтов, обладают крайне высокой чувствительностью к климатическим изменениям. Согласно результатам математического моделирования даже незначительное повышение среднегодовой температуры приземного воздуха может вызвать деградацию ландшафтов, трансформацию системы материальных и энергетических связей в биогеоценозах [5, 10]. Количественная оценка изменений состояния геоэкосистем на обширной территории Сибири, согласно развиваемой идеологии [15], должна выполняться с привлечением методов и средств спутникового сверхвысокочастотного (СВЧ) зондирования, позволяющих осуществлять всепогодную многоканальную диагностику поверхности Земли в региональном и глобальном масштабе. Разделение неоднородной по климатическим, гидрологическим, геокриологическим условиям территории Сибири на более компактные и однородные районы, в пределах которых упрощается задача диагностики изменений состояния геоэкосистем, может быть выполнено на основе набора интегральных пока-
зателей, характеризующих временную динамику излучательной способности многокомпонентных природных сред в СВЧ-диапазоне. Районирование, получаемое в результате дифференциации ландшафтов по СВЧ-данным, в таком случае становится основой для создания системы СВЧ-мониторинга геоэкосистем Сибири.
ОПЫТ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ РАЗНЫХ ТИПОВ ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ ПО ДАННЫМ
СПУТНИКОВОЙ СВЧ-РАДИОМЕТРИИ
Первый опыт спутникового СВЧ-зондирования природных сред в высоких и средних широтах относится к 1970-м годам, когда на орбиту был запущен искусственный спутник Земли (ИСЗ) "Космос-384", оснащенный пятиканальным микроволновым радиометром [2]. Возможность дифференциации широкого спектра земных покровов по СВЧ-сигнатурам была доказана в последующие десятилетия в ходе натурных и численных модельных экспериментов по исследованию излучательной способности природных и техногенных образований, при широкомасштабном
СВЧ-картографировании территорий и акваторий в различных климатических поясах [4, 6, 9, 12, 18].
Ввод в эксплуатацию новых спутниковых измерительных комплексов СВЧ-диапазона с улучшенным спектральным и пространственным разрешением Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR) и Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) инициировал использование СВЧ-данных для построения глобальных карт земных покровов. В работе [19] была выполнена дифференциация 16 основных классов земных покровов в пределах тестовых областей Африки и Южной Америки по 6 мультивременным композитам низкого разрешения с сенсора SSM/I. Однако дифференциация на основе динамики лишь одного показателя - разности между радиояркостными температурами (РЯТ) на вертикальной (ВП) и горизонтальной (ГП) поляризации сигнала на частоте f = 37 ГГц - обусловила невысокую общую точность классификации (для Южной Америки менее 60%). В ходе исследования [13] по СВЧ-дан-ным с сенсора SMMR за осенние тестовые периоды была выполнена дифференциация 7 категорий ландшафтных комплексов на юге Финляндии, 6 -на севере. Использование данных с нескольких спектральных каналов (10.7 ГГц, 18 ГГц и 37 ГГц на ВП и ГП) совместно с моделью спектральной смеси обеспечило возможность проведения субпиксельного анализа. Однако последующие работы [11, 17] показали, что даже в случае использования моделей спектральных смесей не удается с удовлетворительной точностью восстановить долю площади элемента разрешения сенсора, занимаемую разными классами земных покровов, при наличии более 3 классов в пределах элемента разрешения.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью настоящей работы является разработка методики широтно-зональной дифференциации ландшафтов природных зон Сибири по данным спутниковой СВЧ-радиометрии и ее апробация на материале съемки сенсора Advanced Microwave Scanning Radiometer - Earth Observing System (AMSR-E) для территории Западной Сибири. К задачам исследования относится анализ временных рядов РЯТ для эталонных участков, расположенных в семи основных ландшафтных зонах Западной Сибири вдоль трансекта 70° в.д., с составлением двух конкурирующих наборов информативных признаков, учитывающих особенности временной изменчивости параметров СВЧ-излучения разных типов ландшафтов. Решается
задача оценки применимости двух алгоритмов автоматизированной классификации (с обучением и без обучения) для дифференциации ландшафтов Западной Сибири при использовании конкретных наборов информативных признаков, задача определения сочетания "алгоритм - набор признаков", позволяющего достичь наибольшей эффективности дифференциации.
ИССЛЕДУЕМАЯ ОБЛАСТЬ
Дифференциация ландшафтов по данным спутниковой СВЧ-радиометрии проведена для полосы шириной 25 км вдоль меридионального трансекта 70° в.д., пересекающего территорию Западной Сибири. Северная широтная граница исследуемой области (80° с.ш.) расположена в пределах Карского моря, используемого нами для калибровки СВЧ-аппаратуры по собственному излучению льда в зимний период и по открытой воде - летом [6, 9]. Южная граница трансекта (50° с.ш.) соответствует степной зоне.
Выбор трансекта 70° в.д. обусловлен, в первую очередь, повышенной чувствительностью геоэкосистем этой части Западной Сибири к современным климатическим изменениям [5], а также разнообразием региональных особенностей исследуемых ландшафтов, располагающихся вдоль трассы полета ИСЗ. Именно по указанным причинам данный трансект ранее был нами выбран для исследований многолетнемерзлых и сезонно-мерзлых грунтов, проводившихся на материале съемки 1978-1999 гг. СВЧ-радиометров SSM/I и SMMR [16] и съемки 2005-2008 гг. СВЧ-радио-метра AMSR-E [7].
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Сенсор AMSR-E, имеющий большее пространственное разрешение (область мгновенного обзора составляет 47 • 56 км на f = 6.9 ГГц) и увеличенное число спектральных каналов по сравнению с предыдущими поколениями СВЧ-радиометров, функционировал в штатном режиме с 2002 по 2011 г. В работе использованы данные AMSR-E с каналов f = 6.9 и 36.5 ГГц, хранящиеся в архиве Национального центра данных по снегу и льду (National Snow and Ice Data Center) университета Колорадо (University of Colorado), в виде ежедневных мозаик распределения РЯТ в пределах северного полушария с пространственным разрешением, приведенным к 25 км.
Входной информацией для анализа является также карта физико-географического районирования СССР из атласа 1983 г. [8], серия глобальных
карт земных покровов, составленных по данным спектрорадиометра MODIS в 2001 г. в Бостонском университете (Boston University) [14], карта наземных экосистем Евразии 2000 г., созданная по материалам съемки SPOT4-VEGETATION в Институте космических исследований (ИКИ) РАН в сотрудничестве с Объединенным Исследовательским Центром Европейской Комиссии и Центром по проблемам экологии и продуктивности лесов (ЦЭПЛ) РАН [1].
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе обработки исходных СВЧ-данных были получены ежедневные выборки значений РЯТ вдоль меридионального трансекта 70° в.д. практически для всего периода успешного функционирования сенсора AMSR-E (январь 2003 г. - октябрь 2011 г.). Выборки объединены в многомерные массивы отсчетов РЯТ с соответствующими пространственными (географическая широта центра участка, представляемого пикселем), временными (порядковый номер суток в году) и спектральными (частота зондирования и поляризация сигнала) координатами.
Возможность визуального распознавания границ ландшафтных зон по двумерным планшетам (картосхемам), отражающим изменчивость РЯТ в пространственно-временных координатах, была нами показана ранее [7]. Однако субъективный
характер оценки особенностей СВЧ-сигнатур при интерпретации данных оператором затрудняет выполнение такой СВЧ-дифференциации. Разработанная в настоящей работе методика СВЧ-дифференциации ландшафтов по данным из многомерных массивов РЯТ базируется на двух алгоритмах автоматизированной классификации, один из которых предполагает создание обучающих выборок (алгоритм № 2), в другом реализована концепция последовательной пороговой классификации без обучения (алгоритм №1).
Для выбора пороговых значений информативных признаков в случае алгоритма № 1 и обучения в случае алгоритма № 2 используются 7 эталонных участков размером 25 • 25 км, каждый из которых представляет определенный ландшафтный тип, которому сопоставлен числовой индекс: тундра - 2, тундролесье (хвойные листопадные леса и редколесья) - 3, водно-болотные комплексы - 4, тайга (хвойные вечнозеленые леса и смешанные леса с преобладанием хвойных пород) - 5, лиственные леса и смешанные леса с преобладанием лиственных пород - 6, лесостепи - 7, степи - 8. Эталонный участок 1 относится к акватории Карского моря. Выбор эталонных участков производился с опорой на данные
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.