Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра"



Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра
Способ отслеживания границы зоны лес-тундра

 


Владельцы патента RU 2531765:

федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (RU)
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ГОУ ВПО МГУЛ) (RU)

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 По. 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:

N D V I = 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 | | m f 1 | | , | | m f 2 | | , получают поэлементным вычитанием | | m f 1 | | | | m f 2 | | = Δ | | m | | 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, с м = h 0 [ f 1 ] * [ 1 exp [ R σ Z O ] ] , 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;

σ - 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 По±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 (Тя) связана с термодинамической температурой ТоК 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 γ π / 2 (что справедливо для надирных измерений)

К г = 1 ε к 1 + ε к ,

где ε 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):

ε п = W ( ε в 1 ) + ( ε т 1 ) ρ п ρ т + 1 ;

где ε п , ε в , ε т - комплексные диэлектрические проницаемости почвы, воды и твердых частиц почвы;

ρ п , ρ 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 По=(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 1 256 . 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
69 ° 4 0 -//- 0,28-0,35 86 90
-//- 0,11-0,28 43 110

Значения результирующего сигнала для тестового участка пограничной зоны составили П о = ( N D V I ) x ( с и г н а л С В Ч ) ± σ = 0,11 x 43 = 4,3 ± 1,15 ; σ = Д .

Анализ фрагмента синтезированной матрицы измерений показал, что среднеквадратическому значению дисперсии амплитуды порогового сигнала σ = ± 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приборам, используемым в горной промышленности для съемки сечения выработанного пространства. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.

Фотоприемник предназначен для получения единых цифровых фотоизображений мозаичного типа. Фотоприемник включает оптическую систему, содержащую, по меньшей мере, два объектива, и расположенный на ее фокальной поверхности фоточувствительный прибор в виде соответствующих числу объективов групп цифровых фоточувствительных матриц.

Способ включает фотографирование поверхности несколькими оптико-электронными фотоприемниками с частичным перекрытием получаемых субкадров, образующих кадр центральной проекции в виде полосы, ориентированной длинной стороной поперек направления движения носителя, получение кадров по мере движения носителя с их частичным перекрытием между собой и последующее объединение кадров в единое изображение.

Изобретение относится к диагностике состояния контактной сети. .

Изобретение относится к области определения положения объектов при выполнении съемки как в оптическом диапазоне, так и в произвольном диапазоне электромагнитного излучения и может использоваться при создании фотосъемочной и радиолокационной аппаратуры и при фотограмметрической обработке результатов съемки.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к аэрофотосъемке. .

Изобретение относится к способу устранения геометрических искажений изображений, получаемых щелевым или трассовым сенсором дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора относительно исследуемой поверхности наблюдаемого объекта, например при съемке поверхности земли с вертолета.

Изобретение относится к области локального инженерно-геологического и геоэкологического аэромониторинга. .

Изобретение относится к области фотограмметрии. .

Мира // 2232374
Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для оценки качества изображения в оптических и оптико-электронных приборах (ОЭП), включающих многоэлементные фотоприемники.
Изобретение относится к области лесного хозяйства и лесной биогеоценологии. Способ включает полевую таксацию насаждений и камеральные вычисления.

Изобретение относится к области лесоводства и ландшафтоведения и может быть использовано при биотехнической и биохимической оценке травяного покрова на прирусловых пойменных заливных и незаливных лугах и луговинах лесов.

Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности к агролесомелиорации, и может быть использовано при создании полезащитных лесных полос, обладающих непрерывным мелиоративным эффектом.

Изобретение относятся к лесной отрасли и может быть использовано при сертификации древесины непосредственно на корню, например в ходе лесозаготовительных работ различными видами рубок, при выполнении лесосечных и лесоскладских работ, а также при сертификации древесного сырья и полуфабрикатов на деревообрабатывающих производствах и хранении круглых, колотых и пиленых лесоматериалов.

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано для подготовки лесной почвы к естественному лесовозобновлению. Устройство содержит раму прямоугольного сечения, полый цилиндр, вал, храповые механизмы с гидроцилиндрами.

Изобретение относится к дендрометрии при изучении роста и развития комля деревьев, преимущественно берез, и может быть использовано при фитоиндикации территорий и разработке мероприятий по защите земельных участков от водной эрозии, экологических и климатических технологий, а также в дендроэкологическом мониторинге за развитием овражной сети и рационализации землепользования с учетом изменений формы комля растущих, в частности, березовых деревьев.

Изобретение относится к дендрометрии. Способ включает выбор пробной полосы леса поперек оврага или холма с расположенными вдоль нее деревьями.

Изобретение относится к дендрометрии при изучении относительного сбега комля в ходе роста и развития деревьев, преимущественно берез, и может быть использовано при фитоиндикации качества территорий и разработке мероприятий по защите земельных участков от водной эрозии, а также в дендроэкологическом мониторинге за развитием овражной сети с учетом изменений относительной формы комля растущих березовых деревьев.
Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к агролесомелиорации, и может быть использовано при облесении засушливых, например, меловых склонов, имеющих почвенный покров.

Изобретение относится к способу ультразвукового испытания технической древесины в виде чураков, например специальных сортиментов в виде резонансных чураков, и может быть использовано при сертификации древесины в условиях лесозаготовок, лесного хозяйства и деревообработки при контроле качества чураков при различных условиях их хранения, а также в инженерной экологии при оценке экологического качества территории по значениям скорости ультразвука древесины чураков, заготовленных на данной территории.

Изобретение относится к области экологического мониторинга, почвоведения и лесоведения. Способ включает определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории. Для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты. Причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности. При исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см. Вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны в отдельности с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений. При этом вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта. Причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех. До биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, измеряют значения биохимических показателей pH, P2O5, K2O, HNO3, сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов. По результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей. Способ позволяет повысить точность взятия проб почвы под пойменным лугом для сопоставления измеренных концентраций биохимических веществ в почвенном покрове. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.
Наверх