Космонавтика - наукам о Земле
50 лет
космической эры
Современные возможности спутникового мониторинга растительности
С. А. БАРТАЛЕВ,
доктор технических наук
Е. А. ЛУПЯН,
доктор технических наук
Институт космических исследований РАН
Растительность планеты относится к числу фундаментальным компонентов биосферыI, тесно взаимодействуя с климатическими системами Земли и играя основополагающую роль в поддержании устойчивого развития человеческого сообщества. В прямой зависимости от факторов, определяющих состояние и динамику растительного покрова, находятся такие социально и экономически важны/е области человеческой деятельности, как лесное хозяйство, сельскохозяйственное растениеводство, пастбищное животноводство. Растительный покров часто оказывается под воздействием антропогенным факторов -при добы/че, транспортировке и переработке полезным ископаемым, развитии транспортной сети и инфраструктурыI, по-
вышенной рекреационной нагрузке на наземные экосистемыI. Косвенное влияние человеческой деятельности на растительный покров проявляется через модификацию экологических режимов, а также климатически индуцированным природным факторов, таких как лесны/е и травяны/е пожарыI, вспышки массового размножения насекомым-
фитофагов, аномальные метеорологические явления (засухи, ураганыI и наводнения).
Одна из наиболее важным задач, стоящих перед человечеством, - вы/работка и реализация стратегий устойчивого природопользования на различным уровнях управления - от локального до глобального. Вы/бор таких стратегий связан
16
© Барталёв С.А., Лупян Е.А.
с необходимостью комплексного учета множества различных факторов, определяющих состояние и динамику наземны/х
НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ МЕТОДОВ
Существующие в настоящее время спутниковые приборы и методы анализа данных дистанционного зондирования дают возможность регулярно получать глобальные оценки многих характеристик растительного покрова, необходимых для исследований изменений климата и биосферы, а также моделирования возможных сценариев будущих изменений. Во многих случаях выявление и исследование крупномасштабных изменений растительного покрова возможно только спутниковыми методами, позволяющими получать объективную оценку детальных характеристик земной поверхности при глобальном уровне охвата планеты наблюдениями. Спутниковые методы, в частности, позволяют:
- проводить картографирование растительного покрова;
- получать оценки биофизических и биохимических характеристик растительности;
- анализировать факторы возмущающего воздействия на растительность;
- проводить оценки характеристик землепользования, включая определение площадей и режимов сельскохозяйственного использования пахотных земель, пастбищ и лесов;
экосистем. Единственно возможный путь получения объективных и регулярно обновляемым данных о состоянии и дина- осуществлять оценки многолетних трендов состояния наземных экосистем, необходимых для выявления и интерпретации долговременных изменений растительного покрова;
- выполнять оценку физических характеристик поверхности, в частности альбедо, температуры и влагосодержания, которые используются в качестве входных переменных во многих моделях динамики роста растительности.
При наблюдениях за состоянием и динамикой наземных экосистем в настоящее время используют широкий набор спутниковых приборов дистанционного зондирования, различающихся уровнем пространственного разрешения, спектральными каналами, частотой наблюдения и некоторыми другими параметрами.
По уровню пространственного разрешения выделяют несколько групп спутниковых данных.
Данные низкого разрешения (~1 км) получают с помощью "NOAA-AVHRR", "SPOT" (Vegetation), "Terra"/ "Aqua" (MODIS) и некоторых других систем, проводящих измерения оптического излучения в широком диапазоне длин волн. Они имеют высокую периодичность наблюдений и способны не реже, чем ежесуточно, обеспечивать глобальное покрытие Зем-
мике растительного покрова - дистанционное зондирование Земли со спутников.
ли в зависимости от широты местности.
Данные среднего разрешения (250-500 м) получают с космических аппаратов 'Terra"/"Aqua" (MODIS) и "Envisat" (MERIS). Эти системы способны ежедневно обеспечивать глобальное покрытие Земли и также проводят измерения в широком диапазоне длин волн оптического спектра.
Данные высокого разрешения (20-50 м) собираются многоспектральными сканирующими радиометрами типа "Landsat-7" (ETM+), "SPOT-5" (HRVIR), "Terra" (ASTER), "IRS-P7" (LISS). Они обеспечивают, как правило, частоту наблюдений не чаще чем один раз в две недели.
Данные детального разрешения (1-5 м) могут быть получены такими спутниковыми системами, как "IKONOS", "Quick-Bird", "SPOT" (HRG) и "IRS" (PAN). Их применяют для выборочных нерегулярных наблюдений.
К настоящему времени достигнут качественно новый уровень развития методов обработки спутниковых данных. В частности, разработаны методы автоматического анализа временных серий данных спутниковых наблюдений. Они открывают новые возможности создания автоматических технологий спутникового мониторинга растительности, формирования и интенсивного раз-
ТРАВЯНИСТАЯ FACTVTTFПЬHQCTh ЦРУГ АЯ 9>*£ТнГиьиОСТЬ И I—| РАСТИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ
О С^л.
Н! .liKPifr« -ЖЧ шэ 2ÜÜC г ] I СвпыупяптЛстииям хмы*
|-1 Лк» * ЦДОЖе С ДДОО* «Т»СГ»нн9«1
рйст*пшыялгшо
|-1 Ли * «lunneenn п свпыэку
ХОИИГПИЪИМвМ Wj" "ИИ
еезРАСтиитныЕ территории
I I ПуБГняя нчЧнЪцн I I Bkwup о-его и льды I I и fcH^TfWHHlnP! ВДЛДОШ
ЧЮтП W*
Г" I Сапешчт»
Карта наземных экосистем России, созданная поданным прибора Vegetation, установленного на спутнике "SPOT-4" (Франция). Распределение основных типов растительного покрова по состоянию на 2000 г. Прибор выполняет ежедневную съемку всей поверхности Земли с пространственным разрешением около 1 км в четырех спектральных каналах видимого и инфракрасного диапазона длин волн отраженного солнечного излучения. Столь частые наблюдения каждого участка земной поверхности дают возможность выбирать измерения в свободные от влияния облаков периоды времени, а также учитывать особенности сезонной динамики различных типов растительного покрова.
вития ряда крупных научно-исследовательских и технологических программ: Европейского космического агентства по Глобальному мониторингу окружающей среды и безопасности GMES, глобального наблюдения за лесами и динамикой земель GOFC-GOLD, создание системы глобального спутникового наблюдения Земли "GOES". Работы по созданию и внедрению систем спутникового мониторинга для анализа состояния растительности активно ведутся и в России. Они проводятся в ИКИ РАН, Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов (ЦЭПЛ) РАН, а также в ряде других ведущих академических организаций.
КАРТОГРАФИРОВАНИЕ НАЗЕМНЫХ ЭКОСИСТЕМ
Данные спутниковых приборов низкого пространственного разрешения используются для картографирования экосистем на глобальном уровне. К настоящему времени разработаны карты наземных экосистем по данным прибора "NOAA" (AVHRR) в рамках проектов IGBP-DIS и Университета Мэриленд, по данным "SPOT" (Vegetation) - в рамках проекта Объединенного исследовательского центра Европейской комиссии, а также по данным "Terra" (MODIS) -проекта, выполняемого Университетом Бостона.
Карта, разработанная с участием специалистов ИКИ РАН и ЦЭПЛ РАН на основе данных прибора "SPOT" (Vegetation) с раз-
решением 1 км, впервые наглядно продемонстрировала масштабную смену коренных хвойных лесов вторичными лиственными лесами в Европейской России, Центральной Сибири и на Дальнем Востоке, произошедшую в результате интенсивных вырубок и пожаров во второй половине прошлого столетия. Карты наземных экосистем свидетельствуют о тенденциях зарастания лесами сельскохозяйственных земель Центральной России, заброшенных в период постперестроечного спада экономики.
В настоящее время активно разрабатываются методы и технологии создания карт в максимально автоматизированном режиме на основе анализа многовременных спутниковых данных среднего пространственного разрешения. На составление подобных карт, например для территории России, основанных на традиционных наземных и авиационных измерениях, обычно уходят многие годы.
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЙ В ЛЕСНЫХ МАССИВАХ
Современные методы и технологии обработки спутниковых данных позволили создать автоматизированную систему оперативного выявления повреждений лесной растительности бореальной (холодной) зоны планеты природными пожарами, насекомыми-вредителями и другими деструктивными факторами. Система основана на использовании
временных серий данных спутниковых наблюдений ИСЗ "SPOT" (Vegetation) и "Terra"/"Aqua" (MODIS). Для определения последствий лесных пожаров в системе, например, используется комбинация спектральных и температурных признаков, выявляющих межгодовые изменения в состоянии растительности. Уже несколько лет эта технология эксплуатируется в составе Информационной системы мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (Рослесхоза). Работа этой системы позволяет сегодня получать оценки площадей поврежденных пожарами лесов на всей территории России. Это необходимо для решения задач рационального управления лесными ресурсами, относительно которого Россия выполняет различные международные обязательства, в том числе в области глобальных изменений климата. На наш взгляд, сегодня эта система является наиболее полным и достоверным источником оперативных сведений о повреждениях огнем растительности бореальной зоны планеты.
Комбинированное использование спутниковых данных среднего и высокого пространственного разрешения позволяет получать информацию о масштабах вырубок лесов -одного из основных факторов антропогенного воздействия на наземные экосистемы. В частности, с помощью временных се-
м о
Очищенное от влияния облаков композитное изображение Северной Евразии, по ежедневным данным спектрорадиометра MODIS, установленного на спутнике "Terra" (США). Пространственное разрешение 250 м и 500 м. Автоматические технологии получения и использования такого рода композитных изображений за последовательные интервалы от нескольки
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.