Развитие методов оценки деструктивных воздействий на растительный покров на основе комплексного использования временных серий данных спутниковых наблюдений среднего и высокого пространственного разрешения


Развитие методов выявления пройденных огнем площадей по данным MODIS

В рамках данного направления были выполнены работы по развитию методов оценки деструктивных воздействий на растительный покров на основе комплексного использования временных серий данных спутниковых наблюдений.  Основные усилия были направлены на разработку технологии выявления пройденных огнем площадей по данным MODIS на основе адаптивного порогового алгоритма детектирования повреждений растительности. Метод, лежащий в основе технологии, использует в качестве опорных данных многолетнюю статистическую «норму» сезонной динамики коротковолнового вегетационного индекса SWVI.  В качестве исходных данных используется многолетний архив ежедневных композитных изображений MODIS с пространственным разрешением 250 м и 500 м.

Главное отличие от стандартного жесткого порогового детектирования повреждений пожарами заключается в использовании в качестве статистической «нормы» сезонной динамики среднего значения индекса по данным многолетних наблюдений участка поверхности в заданную дату. Алгоритм позволяет вычислять адаптивные во времени и пространстве значения порогов, используя оценки стандартного отклонения вегетационного индекса в произвольный момент сезонного развития растительности, и обладает высоким уровнем чувствительности, что дает возможность детектировать относительно слабые повреждения растительности пожарами, не выявляемые ранее разработанными методами. Также, достигается более точное детектирование пожаров за счет устранения изменений растительности, вызванных иными факторами, связанными с межгодовыми различиями сезонной динамики роста.

Разработанный метод апробирован для территории России по результатам горения в 2009 году с использованием многолетнего архива данных спутниковых наблюдений Terra-MODIS за период 2002-2009 годов.

      
Рис. 1. Сравнение результатов работы метода выявления пройденных огнем площадей по данным Terra-MODIS с использованием жесткого порогового критерия (слева) и усовершенствованного метода (справа).


Исследование возможностей оценки характеристик состояния лесов по данным высокого пространственного разрешения

Проведена теоретическая и экспериментальная работа, направленная на развитие методов оценки состояния насаждения, и, в частности, оценки степени повреждения по дистанционным данным высокого разрешения. В качестве спутниковых данных использовались современные данные прибора HRVIR-SPOT4 с разрешением 20 метров и исторические данные прибора Landsat-TM/ETM+ с разрешением 30 метров. Был проведен анализ спектрально-отражательных свойств поврежденной растительности и построены уравнения связи  между характеристиками состояния насаждений, получаемыми при наземном лесопатологическом обследовании, и характеристиками, построенными по спутниковым данным.

В рамках первой задачи для нескольких тестовых участков Центральной Сибири и Дальнего Востока были исследованы взаимосвязи характеристик полога исследуемых насаждений, оцененных по наземным данным, таких, как степень усыхания и средневзвешенная категория состояния лесов, с характеристиками, построенными по дистанционным данным. Характеристики, полученные по спутниковым данным, включали следующие величины: значения отражательных характеристик в зеленой, красной, ближней и средней ИК областях спектра, их разновременных разностей, спектральных индексов NDVI (нормализованного относительного индекса растительности) и NDWI (нормализованный относительный индекс влагосодержания), а также соответствующих им разностей разновременных измерений. Корреляционный анализ показал наличие существенных связей между исследуемыми характеристиками для некоторых типов чистых насаждений ели, сосны, лиственницы, березы и дуба. Было обнаружено, что средневзвешенная категория состояния насаждений связана со спутниковыми показателями гораздо сильнее, чем степень усыхания. Кроме того, из перечисленных характеристик наиболее сильно с наземными данными коррелируют характеристики среднего ИК канала, разности этих каналов и NDWI, что хорошо согласуется с тем фактом, что при усыхании растений прежде и сильнее всего изменяется уровень влагосодержания. Это  подтверждается при исследовании корреляций между наземными и спутниковыми характеристиками для точек, где происходит значительное усыхание (более 20%).

Для типов насаждений, для которых были получены достаточно высокие значения коэффициентов корреляции (выше 0,5), а значит обосновано наличие линейной статистической связи, были построены уравнения одномерной и многомерной регрессии. Регрессии строились для  чистых типов насаждений, а именно еловых, лиственничных, дубовых и березовых древостоев, с помощью метода наименьших квадратов. Чтобы устранить явление мультиколлинеарности, то есть взаимозависимости объясняющих переменных, для выбора наилучшего числа  переменных при оценке уравнения многомерной регрессии была использована пошаговая процедура подбора переменных с помощью оптимизации критерия информативности регрессии Акаике.  Высокий выборочный коэффициент (выше 0,5-0,6) детерминации позволяет использовать полученные прямые для прямого пересчета значений спутниковых переменных в характеристики состояния насаждений.

Полученные результаты дают возможность выработать рекомендации по сбору наземных данных для лесопатологического мониторинга и служат основой для разработки автоматизированных методов оценки характеристик усыхания насаждений.

 

 
Рис. 2. Сравнение линейных регрессий средневзвешенной категории состояния по нормализованному разностному индексу влагосодержания для различных типов лесных насаждений