Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра"

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при оценке динамики глобальных климатических изменений в Арктике. Согласно способу проводят спектрометрические измерения в переходной зоне 69°…70° с.ш., содержащей тестовые участки в диапазоне 0,55…0,68 мкм и 0,73…1,1 мкм, а также синхронные радиометрические измерения в диапазоне СВЧ на длине волны ~30 см. Производят расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений. Формируют синтезированные матрицы измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений. По измерениям границы зоны тестового участка определяют пороговую величину синтезированного сигнала П_о. По пороговой величине с помощью программной обработки выделяют линию границы и производят визуализацию границы зоны лес-тундра и ее наложение на контурную карту Арктической зоны. Технический результат - увеличение контраста сигнала на границе переходной зоны лес-тундра. 4 ил.

 

Способ отслеживания границы зоны «лес-тундра» Изобретение относится к лесному хозяйству и может найти применение при оценке динамики глобальных климатических изменений в Арктической зоне.

Древесная растительность наиболее чувствительна к изменению климата на термическом пределе ее произрастания в переходной зоне «лес-тундра». При глобальном потеплении следует ожидать возрастания продуктивности древесных насаждений и их экспансии в тундровую зону. Отмеченные эффекты принципиально обнаружимы с помощью временных рядов наблюдений из космоса, на основе двухканальных измерений радиометра высокого разрешения AVNRR метеорологического спутника NOAA (США).

Известна «Приближенная оценка фитомассы растительного покрова с использованием значений вегетационного индекса», статья В.М. Жирин, в научном сборнике «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве», М., Изд-во МГУЛ, 1998, стр.119-122 - аналог.

Способ-аналог включает разделение территорий лесного фонда по сходству лесорастительных и метеорологических условий, выбор летних (как правило, июльских) значений вегетационного индекса, с наименьшей дисперсией 6, рассчитываемого из соотношения:

$$NDVI=\frac{C_2-C_1}{C_2+C_1}$$ ,

где $$C_1$$ - значения коэффициентов отражения в спектральном интервале 0,58-0,68 мкм;

$$C_2$$ - значения коэффициентов отражения в интервале спектра 0,73-1,1 мкм; формирование выборочных совокупностей на примере тестовых (ключевых) участков для определения соотношения площадей основных категорий земель по группам значений NDVI, вычисление значений фитомассы основных категорий земель и нахождение их связи со значениями вегетационного индекса, классификация территории лесного фонда по продуктивности лесного и растительного покрова. Фрагмент связи NDVI с объемом фитомассы представлен следующей таблицей 1.

Таблица. 1
Распределение значений фитомассы (тонн абсолютно сухого вещества на одном гектаре) и площадей основных лесных земель (в скобках, %) по группам июльских значений NDVI
Интервалы июльских значении NDVI	Насаждения лиственницы	Естественные редины лиственницы	Заросли ерника и другие кустарники	Болота, водные поверхности	Участки горной тундры	Гольцы (каменистые россыпи)	Всего тонн на 1 га (площадь, %)
0,110 0,285	1,26 (4,2)	0,97 (7,0)	0,26 (8,5)	0,02 (0,4)	3,26 (25,1)	2,36 (54,8)	8,13 (100)
0,286-0,355	1,82 (6,1)	1,32 (9,5)	0,29 (9,6)	0,07 (1,3)	4,78 (36,8)	1,58 (36,7)	9,86 (100)
0,356-0,390	3,95 (13,2)	1,78 (12,8)	0,42 (14,0)	0,2 (3,6)	4,32 (33,2)	1,0 (23,2)	11,67 (100)
0,391-0,425	7,48 (25,0)	2,78 (20,0)	0,44 (14,5)	0,2 (3,6)	3,34 (25,7)	0,48 (11,2)	14,72 (100)
0,426-0,460	3,5 (11.7)	2,5 (18,0)	0,34 (11,4)	0,28 (5,0)	3,85 (29,6)	1,04 (24,3)	11,51 (100)

Из табл.1 следует, что переходной зоне лесотундры с чахлой растительностью (естественные редины, болота, каменные россыпи) соответствуют малая величины объема фитомассы и низкие значения NDVI на уровне 0,1.

Недостатком способа-аналога следует считать размытость границ переходной зоны, малый уровень сигнала для контрастного подчеркивания рельефной границы зон. В целом, по результатам съемки AVNRR, ширина переходной зоны составляет от 250 км на Западе от Енисейской транссекты до 100 км на Востоке [см., аналог, стр.44].

Одновременно установлено, что наименьшая величина прироста наблюдалась на пробных площадках с мощным моховым покровом, наибольшая - соответствовала дренированным участкам.

Для подчеркивания контраста в переходной зоне и устойчивости результатов измерений следует измерять дополнительный параметр - степень увлажненности почвенного покрова.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ контроля водного режима лесов» Патент RU №2103863, 1998 г., А01G 23/00; G01S 17/00.

Способ ближайшего аналога включает получение регистрограмм радиояркостной температуры почвогрунтов, калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, отличающийся тем, что осуществляют синхронную регистрацию радиояркостной температуры почвогрунтов на двух частотах f₁«f₂, разбивают весь интервал измерений на мозаику участков, преобразуют функции пространственной зависимости радиояркостной температуры Тя/x/f₁, Тя/х/f₂ каждого участка квантованием в матрицы цифровых отсчетов $$\left|\right|m_{f_1}\left|\right|,\left|\right|m_{f_2}\left|\right|,$$ получают поэлементным вычитанием $$\left|\right|m_{f_1}\left|\right|-\left|\right|m_{f_2}\left|\right|=\Delta \left|\right|m\left|\right|$$ разностную матрицу, вычисляют параметры электрического сигнала разностной матрицы, среднеквадратическое отклонение σ, автокорреляционную функцию B(R), оценивают уровень гравитационной влаги почвогрунтов участка по регрессивной зависимости h, $$см=h_0[f_1]*\left[1-\exp [-\raisebox{1ex}{$\frac{R}{\sigma }$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$Z_O$}\right.]\right],$$ синтезируют из последовательно проанализированных участков мозаичную картину влажности почвогрунтов по всей площади наблюдения,

где $$h_0(f_1)$$ - предельная глубина проникновения электромагнитного поля в почвогрунт по частоте f₁;

$$\sigma$$ - среднеквадратическое отклонение сигнала разностной матрицы анализируемого участка;

R - ширина автокорреляционной функции сигнала разностной матрицы анализируемого участка на уровне 0,1B(R)_max;

$$Z_O$$ - постоянная экспоненты, определяемая зондированием эталонных участков.

Недостатком ближайшего аналога следует считать невозможность непосредственного использования, поскольку граница зоны лес-тундра не выделяется.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в выборе высокочувствительных сигналов-идификаторов границы лес-тундра, формировании из сигналов синтезированной матрицы изображения переходной зоны и программной визуализации пограничной линии на изображении по пороговой величине сигнала тестового участка.

Техническое решение задачи обеспечивается тем, что способ отслеживания границы зоны лес-тундра включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащих тестовые участки, в диапазонах 0,55…0,68 мкм и 0,73…1,1 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~ 30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы зоны тестового участка, выделение программной обработкой линии границы по пороговой величине П_о±ΔП, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - зависимость КСЯ поверхности от типа растительности для расчета NDVI;

фиг.2 - зависимость радиояркостной температуры подстилающей поверхности в диапазоне СВЧ от степени увлажнения почвогрунтов;

фиг.3 - визуализация выделенной границы лес-тундра Арктической зоны для 69…70° с.ш.;

фиг.4 - функциональная схема устройства, реализующая способ. Техническая сущность способа состоит в следующем. Как следует из способа-аналога (табл.1, фиг.1) индекс NDVI в пограничной зоне имеет значение 0,1…0,11 (контраст единицы процентов), т.е. использование одного селектируемого параметра дает размытую (шириной до 100 км) границу.

В качестве другого независимого параметра в заявленном способе используют СВЧ сигнал собственного восходящего излучения Земли, прошедший толщу увлажненных почвогрунтов. Диапазон изменения СВЧ сигнала (фиг.2) в зависимости от влажности почвогрунтов изменяется в интервале десятков процентов. Чем больше влажность заболоченных участков, тем скуднее растительность, тем меньше уровень сигнала. Оба селектируемых признака (индекс NDVI и СВЧ сигнал) синхронно коррелированы между собой, и их произведение в синтезированном сигнале изображения обеспечит более высокий уровень контраста границы.

В силу принципа взаимности между глубиной проникновения электромагнитного поля в почвогрунт при радиолокационном зондировании и собственном СВЧ-радиоизлучением (см., например, Дулевич В.Е. и др. Теоретические основы радиолокации. - М.: Сов. Радио, 1964, с.677 - 680) радиояркостная температура (Т_я) связана с термодинамической температурой Т_оК зависимостью

$${Т}_{я}={Т}_{о}{(1-|K_{ƛ}|)}^2;$$

где $$K_{ƛ}$$ - комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн от почвогрунта.

В свою очередь, комплексный коэффициент отражения $$K_{ƛ}$$ электромагнитных волн определяется соотношением Френеля.

Для углов скольжения $$\gamma \to \pi /2$$ (что справедливо для надирных измерений)

$${К}_{г}=\frac{1-\sqrt{{\epsilon }_{к}}}{1+\sqrt{{\epsilon }_{к}}}$$ ,

где $${\epsilon }_{к}$$ - комплексная диэлектрическая проницаемость зондируемой среды.

В качестве модели диэлектрической проницаемость увлажненных почв используется рефракционная формула вида (см., Реутов Е,А., Шутко А.М. «Теоретические исследования СВЧ-излучения однородных увлажненных засоленных почв». Исследование Земли из космоса, N 3, 1990, с.77):

$$\sqrt{{\epsilon }_{п}}=W(\sqrt{{\epsilon }_{в}}-1)+(\sqrt{{\epsilon }_{т}}-1)\frac{{\rho }_{п}}{{\rho }_{т}}+1;$$

где $${\epsilon }_{п},{\epsilon }_{в},{\epsilon }_{т}$$ - комплексные диэлектрические проницаемости почвы, воды и твердых частиц почвы;

$${\rho }_{п},{\rho }_{т}$$ - плотность почвы и твердых частиц;

$$W$$ - объемное влагосодержание почвы.

Достаточной глубиной проникновения электромагнитного поля в почвогрунт считается величина несколько десятков см, что реализуется на длине волны зондирования ~30 см [см. ближайший аналог].

Для подчеркивания контраста формируют синтезированную матрицу измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих амплитуд пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений в диапазоне СВЧ. Попиксельное вычисление произведения амплитуд сигналов двух разнесенных по диапазону волн изображений осуществляют стандартной процедурой программного расчета (см., например, «Векторизация элементов матрицы», MATH САД, 7.0 PLVS, издание 3-е стереотипное, М., Информ.-издат. Дом «Филинъ», 1998 г., стр.211).

После получения синтезированной матрицы кадра изображения рассчитывают значения результирующего сигнала для тестового участка пограничной зоны П_о=(NDVI)x(сигнал СВЧ)±σ; где σ - среднеквадратическое отклонение амплитуды сигнала результирующего участка. Затем программным методом выделяют границу зоны «лес-тундра». Программа для заданного порога (POROG) находит и выделяет черным цветом участки изображения, являющиеся граничными в соответствии с заданным порогом.

Текст программы выделения границы:

Результат программного выделения границы зоны «лес-тундра» иллюстрируется фиг.4.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме, представленной на фиг.4. Функциональная схема устройства содержит космический носитель 1 (типа «Ресурс»), на котором установлены средства измерений:

спектрометрический модуль 2 (типа МСУ) и радиометрический модуль 3 (типа ИКАР-П). Включение средств измерений над заданным районом Арктической зоны 4 осуществляет бортовой комплекс управления 5 космического аппарата по суточной программе или разовым командам, передаваемым из Центра управления полетом 6 по радиолинии управления 7. Отснятые кадры участков зондируемой территории вместе со служебной информацией (время съемки, координаты, угол визирования) записывают в буферное запоминающее устройство 8 и по каналу связи 9, в зонах видимости КА с наземных пунктов, сбрасывают на наземный пункт приема информации 10. После предварительной обработки (выделение служебных признаков) на средствах 11, информацию перегоняют в Центр тематической обработки 12, в котором через адаптер 13 она вводится в ПВЭМ 14 для обработки и определения границы зоны лес-тундра. При обработке используют стандартную комплектацию ПЭВМ в составе: процессора 15, оперативного запоминающего устройства 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Результаты измерений выводят на сайт сети «Internet» 21.

Радиометрический комплекс «ИКАР-П» прошел летные испытания в ИРЭ РАН. Выходы радиометров комплекса ИКАР-П подключены к аналого-цифровому преобразователю с шагом квантования сигнала по амплитуде $$\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$256$}\right..$$ Натурные реализации измерений спектрометрических и радиометрических сигналов проводились по объекту «Депутатское лесничество» с координатами северной широты и восточной долготы.

Вначале комплекс программ специализированного программного обеспечения записывают на винчестер 17. Обработка регистрограмм по изложенным выше процедурам получения синтезированной матрицы представлены в таблице 2.

Таблица 2
Координаты широта долгота	Значения NDVI	Значения СВЧ сиг.
Мат. ожидан.	Дисперсия, Д
	0,39-0,42	192	60
-//-	0,35-0,39	140	73
$$\text{69}°\text{4}{0}^{\prime }$$ -//-	0,28-0,35	86	90
-//-	0,11-0,28	43	110

Значения результирующего сигнала для тестового участка пограничной зоны составили $${П}_{о}=(NDVI)x(сигналСВЧ)\pm \sigma =\mathrm{0,11}x43=\mathrm{4,3}\pm \mathrm{1,15};\sigma =\sqrt{Д}.$$

Анализ фрагмента синтезированной матрицы измерений показал, что среднеквадратическому значению дисперсии амплитуды порогового сигнала $$\sigma =\pm \mathrm{1,15}$$ соответствует неопределенность выделения границы зоны лес-тундра в несколько км, что на порядок точнее идентификации границы способа-аналога (100…250 км).

Визуализированная граница зоны с нанесением ее на контурную карту «Депутатского лесничества» иллюстрируется фиг.3.

Эффективность способа характеризуется возможностью инструментального оперативного глобального отслеживания границы зоны лес-тундра, а также точностью, достоверностью и документальностью получаемых результатов.

Способ отслеживания границы зоны лес-тундра включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащих тестовые участки, в диапазонах 0,55..0,68 мкм и 0,73..1,1 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы зоны тестового участка, выделение программной обработкой линии границы по пороговой величине, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.