Введение к работе
Актуальность темы исследования:
На долю лесов России приходится примерно 24% объема от лесного покрова всей планеты и они являются уникальной природной экосистемой, имеющей глобальное ресурсное и социальное значение. Лес непрерывно претерпевает изменения в результате воздействия природных и антропогенных факторов. Некоторые из этих изменений могут приводить к серьезным нарушениям структуры лесных биогеоценозов. Наиболее негативными из этих факторов являются: бесконтрольная деятельность человека, активность насекомых-вредителей, лесные пожары.
В России, с учетом ее огромных лесопокрытых территорий, традиционно уделяется большее внимание проблеме мониторинга лесов. Современное развитие средств и методов лесного мониторинга, с целью разработки долгосрочной стратегии рационального использования лесных ресурсов и защиты окружающей среды, в обязательном порядке предполагает использование данных дистанционного зондирования (ДЗ) и геоинформационных систем (ГИС), ввиду больших площадей изучения и большого объема информации, накопленной в рамках плановых мероприятий по выполнению государственной инвентаризации лесов.
Постоянное развитие технических средств дистанционного зондирования, обеспечивающих получение информации о растительных объектах с высоким спектральным разрешением, требует создания соответствующих ГИС-технологий, методик и программных средств ее анализа, что позволяет разработать принципиально новые методы оценки состояния лесов. Эти задачи становятся особенно актуальными в связи с успешным запуском в мае 2013 года отечественного спутника "Ресурс-П", оснащенного гиперспектральной аппаратурой.
Степень ее разработанности
Проблематика анализа деградации и биофизиологического состояния древесной растительности по материалам гиперспектральных данных средствами ГИС является предметом активного изучения иностранными исследователями. Опубликовано немало трудов, прямо или косвенно касающихся поднятой в данном исследовании теме.
Российскими исследователями данная тема практически не разрабатывалась ввиду отсутствия до недавнего времени отечественной гиперспектральной аппаратуры.
Цели и задачи.
Основной целью работы является расширение возможностей ГИС-анализа при оценке состояния растительности за счет разработок и внедрения специализированных алгоритмов и методики обработки гиперспектральных данных дистанционного зондирования. Для достижения заявленных целей в рамках исследовательских мероприятий были поставлены следующие задачи:
-
Провести анализ существующих отечественных и зарубежных методик оценки состояния лесопокрытых земель по данным дистанционного зондирования. Изучить возможности применения гиперспектральных данных при оценке состояния лесной растительности и их преимущества.
-
Изучить методологические принципы, лежащие в основе вегетационной индексации на основе изменений биохимических параметров лесных насаждений.
-
Разработать методику, позволяющую оценивать выборку вегетационных индексов и выбирать из нее наиболее эффективные под создание тематических картограмм средствами ГИС-анализа.
-
Провести комплекс наземных лесотаксационных работ, с целью определения тестовых участков, на которых будет набираться статистика, производиться перерасчет значений из относительных (индексы) в абсолютные (категории поврежденности) и выполняться апробация полученных результатов.
-
Создать ГИС для изучения экспериментальной территории, содержащую в себе картографическую информацию, данные лесного фонда и материалы полевых исследований в качестве основы для дальнейшей обработки данных и построения картограмм.
-
Вычислить, создать и статистически обработать индексные изображения. Построить на их основе тематические картограммы для оценки состояния древесной растительности.
Научная новизна:
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработаны новые алгоритмы и программное обеспечение для решения задач по обработке гиперспектральных данных в ГИС с использованием вегетационных индексов.
-
В рамках апробации методики посредством эмпирического ГИС-моделирования составлены актуальные картосхемы деградации растительности на территорию экспериментального полигона и проведена их верификация.
-
Впервые проведено сравнение результатов, полученных на основе биохимических индексов, с результатами, полученными на основе структурных индексов, с использованием статистических и эмпирических методов.
-
Впервые выполнена обработка нового типа данных дистанционного зондирования, полученных с экспериментальной аппаратуры, с целью получения наиболее информативных вегетационных индексов, подходящих для анализа деградации растительных насаждений.
Теоретическая и практическая значимость работы :
Использование предложенного в работе метода выявления деградации лесов по гиперспектральным данным позволяет:
- повысить достоверность выявления деградирующих лесопокрытых площадей в рамках решения задач по государственной инвентаризации лесов (ГИЛ);
- сократить объемы выполнения наземных работ благодаря возможности изучать
физиологию растительности дистанционными методами с использованием средств
ГИС анализа;
- выявлять причины деградации, прогнозировать состояние древостоя и
вырабатывать комплекс мер по стабилизации ситуации.
Методология и методы исследования:
Использованы методы ГИС-анализа, спектрального анализа, цифровой обработки изображений и распознавания образов, математической статистики и цифровой картографии.
Использованы экспериментальные гиперспектральные данные, данные лесоустроительных планшетов, электронные карты, результаты вегетационной индексации, материалы полевых исследований, статистические модели.
Положения, выносимые на защиту:
1) Разработанная в рамках исследования универсальная методика
геопростанственного анализа деградации лесной растительности на основе
биохимических вегетационных индексов, отбираемых и анализируемых посредством
материалов из геоинформационных баз данных и статистических методов.
-
Разработана методика и программные решения для расчета и оценки индексных изображений по гиперспектральным данным дистанционного зондирования..
-
Построены картограммы, позволяющие оценить состояние сосновой растительности в зависимости от конкретных биохимических параметров на территории экспериментального полигона Савватьевского лесничества.
Степень достоверности и апробация результатов:
Достоверность результатов работы подтверждается:
логикой постановки задач исследований, научной аргументированностью положений и выводов;
всесторонним анализом ранее выполненных исследований и разработок по исследуемому предмету;
применением апробированных теоретических положений, корректным использованием математического аппарата;
большим объемом выполненных экспериментальных исследований, в том числе в полевых условиях, экспериментальной проверкой теоретических результатов на модельных и реальных данных;
реализацией разработанной методики в рамках исследования при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашений 14.В37.21.1243
Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV Международной научно-практической конференции «Математические методы и модели анализа и прогнозирования развития социально-экономических процессов черноморского побережья Болгарии и были отражены в серии научных публикаций в различных российских цитируемых журналах.
