ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 1, с. 71-78
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА И ЕГО АНТРОПОГЕННОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ОБРАБОТКИ КОСМОСНИМКОВ QUICKBIRD (НОВОСИБИРСКИЙ АКАДЕМГОРОДОК) © 2013 г. Н. Н. Лащинский1, И. Д. Зольников2, 3, Н. В. Глушкова2, 3
Центральный сибирский ботанический сад Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск 2Институт геологии и минералогии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск
3Новосибирский государственный университет E-mail: nnl630090@gmail.com; zol@igm.nsc.ru; hope@igm.nsc.ru Поступила в редакцию 27.04.2012 г.
На примере лесных массивов Новосибирского Академгородка разработана методика картографирования лесов посредством обработки космоснимков высокого пространственного разрешения. Основой методики являются управляемые классификации по летнему и осеннему космоснимкам QuickBird, оверлейные операции и плотностной сеточный анализ. В результате созданы схемы плотности леса, а также количественного соотношения хвойных и лиственных пород деревьев. При сравнении с геоботанической картосхемой, построенной традиционными методами, выявлены преимущества дистанционной методики (точность контуров, объективный характер оценки сомкнутости крон, соотношения лиственных и хвойных пород деревьев) и ее ограничения. Предложенная технология не заменяет, а дополняет и количественно уточняет стандартную методику. Сопряженный анализ полученной интегральной картосхемы лесов с геолого-геоморфологической картой местности обеспечивает возможность выявления связей между геоморфологическими особенностями территории, составом поверхностных отложений и структурой древостоев, что позволяет оценить степень антропогенной трансформации природных лесных экосистем. Это в свою очередь может использоваться для организации экосистемного мониторинга.
Ключевые слова: картографирование лесных массивов, дистанционное зондирование, ГИС-техно-логии, космоснимки высокого разрешения
DOI: 10.7868/S020596141206005X
ВВЕДЕНИЕ
В представленной работе космические снимки высокого пространственного разрешения Quick-Bird использовались для картирования лесов Академгородка г. Новосибирск при оценке современного состояния лесных массивов. Новосибирский Академгородок располагается на правом берегу р. Обь в двадцати километрах к югу от города Новосибирска (рис. 1). При его строительстве был применен метод диффузной застройки, основой которого является взаимопроникновение жилых и рабочих кварталов и больших массивов нетронутых природных насаждений (Природа ..., 2007). Очевидно, что дальнейшая застройка этой территории должна планироваться так, чтобы кардинально не трансформировать ситуацию, исказив изначальную концепцию экополиса. Для этого необходимо не только качественно, но и количественно оценивать соотношение природной и антропогенной составляющих в сложившейся
экосистеме как в настоящий момент, так и на перспективу.
Правобережная часть Новосибирска размещена на территории Томь-Колыванской зоны Ал-тае-Саянской складчатой области, а левобережная часть — на территории Западно-Сибирской плиты (Мартынов и др., 1977). Эту границу фиксирует р. Обь, русло которой расположено вдоль региональной разломной зоны. Таким образом, Академгородок находится на периферии Алтае -Саянской складчатой области. Основу естественного растительного покрова территории Академгородка составляют леса. По преобладающим видам деревьев можно выделить пять лесных формаций: сосновые леса, смешанные березово-сосновые леса, березовые леса из березы повислой, березовые леса из березы пушистой и осиновые леса. В зональном отношении леса Академгородка расположены в подзоне лесостепи на стыке с подпоясом горной подтайги (Куминова, 1963). Высокая облесенность территории, по сравне-
нию с зональным окружением, связана с близостью р. Обь и песчаными почвами на древних речных террасах. Большинство лесов, особенно сосновых, окружающих Академгородок, связаны с феноменом Приобских боров — массивов сосновых и смешанных лесов, протянувшихся цепочкой по долине Оби через всю лесостепную подзону.
Для оценки современного состояния лесных массивов Академгородка были выполнены картосхемы растительности в двух вариантах. Первый вариант реализован по традиционной технологии с использованием наземного обследования и вы-делов, представленных в материалах лесоустройства. Второй вариант был построен на основе обработки космических снимков датчика QuickBird с применением программных продуктов ENVI и ArcMap. Космоснимки QuickBird имеют пространственное разрешение 2.4 м в многозональном режиме и 0.61 м в панхроматическом; охватывают видимый и ближний инфракрасный диапазон (0.45—0.9 мкм). В работе использовались снимки летнего и осеннего сезонов съемки 2008 г. многозонального режима.
МЕТОДИКА СОСТАВЛЕНИЯ КАРТОСХЕМ
Сотрудники Центрального сибирского ботанического сада (ЦСБС) СО РАН на основе натурного обследования территории и данных лесоустройства создали картосхему растительности Академгородка, основанную на традиционном эколого-фитоценотическом подходе. Геоботанические описания, выполненные на местности по стандартной методике, были расклассифицированы по доминантам различных ярусов, слагающих сообщества, и нанесены на картосхему по координатам, отмеченным с помощью GPS. Гра-
ницы контуров уточнялись с использованием вы-делов лесоустроительной карты. Легенда полученной картосхемы, включавшая 16 элементов, различающихся по доминантам древостоя и напочвенного покрова, была генерализована до шести основных классов, основанных преимущественно на доминантах древесного яруса (рис. 2). Все сообщества, испытавшие глубокую антропогенную трансформацию (лесные культуры различных древесных пород, как местных, так и интроду-цированных, луга и залежи на месте пахотных земель, декоративные и коллекционные посадки) были отнесены к одному классу легенды. Другой класс составили кустарниковые заросли по долине р. Зырянка. Четыре оставшиеся класса легенды распределились между четырьмя лесными формациями: сосновых лесов; мелколиственных (березовых и осиновых) лесов; смешанных лесов с преобладанием хвойных; смешанных лесов с преобладанием лиственных деревьев.
В Новосибирском региональном центре геоинформационных технологий была разработана технология автоматической классификации снимка высокого разрешения РшскВкё для оценки плотности леса и количественного соотношения хвойных и лиственных пород деревьев (Глушкова и др., 2010). Технология (рис. 3) состоит в управляемой классификации (правилом максимального правдоподобия) снимков осеннего и летнего сезонов съемки. Летний снимок использовался для обнаружения участков леса (как хвойного, так и лиственного). Осенний снимок использовался для выделения хвойных деревьев (поскольку лиственные породы деревьев сбросили листву). Полученные классы конвертировались в векторные слои. Для того чтобы выделить из вектора крон всего леса лиственные и хвойные деревья, прово-
Рис. 2. Картосхема растительности, созданная сотрудниками ЦСБС СО РАН. Условные обозначения: 1 — антропогенно трансформированная растительность (лесные культуры, луга, залежи и т.п.); 2 — мелколиственные (березовые и осиновые) леса; 3 — смешанные березово-сосновые леса с преобладанием хвойных; 4 — естественные сосновые ку-старничково-травянистые леса; 5 — смешанные сосново-березовые леса с преобладанием лиственных деревьев; 6 — ивовые заросли по долинам ручьев. Геолого-геоморфологические зоны: I — древние надпойменные террасы, II — водораздельное плато, III — делювиальный шлейф.
пр. Строителей Т*
дилась оверлейная операция (в программном продукте ArcGis). В результате были получены два типа объектов: кроны хвойных деревьев и кроны лиственных деревьев. Для оценки удельного вклада каждого типа объектов использовались плотностные сетки. Схемы плотностного распределения позволяют выделять интервалы процентного содержания для каждого компонента отдельно и оконтуривать комплексные выделы с определенными типами соотношения компонентов (Зольников и др., 2005; Лямина и др., 2009). Были построены две плотностные сетки (размер ячейки 2.5 м, радиус 50 м) по распределению: а) крон хвойного леса (осеннего снимка),
б) крон всего леса (летнего снимка). На основе плотностной сетки всего леса была построена схема густоты леса Академгородка. Схема соотношения хвойных и лиственных пород деревьев была получена путем деления плотностной сетки крон хвойных деревьев на сетку плотности всех крон. В результате получили области распространения хвойных лиственно-хвойных, хвойно-лиственных и лиственных лесов (рис. 4). На конечном этапе была создана интегральная схема распределения лесов как по густоте-разреженности, так и по соотношению хвойных и лиственных пород. Для этого созданные выше плотност-ные схемы конвертировались в векторный фор-
Космоснимки
Комплексные описания
Спектральные характеристики по контурам
База данных
Обработка космических снимков
Анализ спектральных характеристик
Создание новых эталонных полигонов
Е
Классификация летнего снимка (получение вектора проекции крон леса) Классификация осеннего снимка (получение вектора хвойных деревьев)
Построение плотностных сеток
1 I
Построение схемы плотности крон деревьев в процентах Построение схемы породного соотношения леса
Получение интегральной схемы густоты и породного соотношения леса
Верификация полученных схем
Рис. 3. Технологическая схема построения картосхем густоты и породного соотношения леса.
мат с последующим проведением оверлейной операции. Заверка результатов проводилась в полевых условиях и при дешифрировании геоботаниками эталонных участков на космоснимках. Максимальная погрешность компьютерного определения сомкнутости крон и удельного соотношения пород деревьев в радиусе окна (для нашего случая — 50 м) не превышает ±5%. Максимальная погрешность макровизуального определения этих параметров геоботаниками иногда может достигать ±15%. Таким образом, при сравнении результатов на тестовых полигонах был сделан вывод, что
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.