Введение к работе
Актуальность проблемы
В последние годы отмечается устойчивая тенденция по увеличению количества спутников, оборудованных радиолокационной аппаратурой, а также мультиспек-тральными и гиперспектральными сенсорами оптического диапазона. Существующие методы обработки космической информации для исследования лесов предусматривают, как правило, независимый анализ изображений, полученных в разных диапазонах спектра. При этом практически не изучены вопросы комплексного использования многоспектральных оптических и микроволновых данных для контроля лесных ресурсов.
Суть решаемой в диссертации научной проблемы сводится к дистанционному исследованию био- и геофизических параметров древесных насаждений с использованием мультиспектральных оптических и поляриметрических радиолокационных изображений, что позволит более точно оценить состояние и прогнозировать динамику изменений лесов, а также классифицировать их по степени рентабельности для намечаемого лесопользования. При этом появляется возможность одновременного исследования ряда важных характеристик лесных ресурсов, таких как содержание хлорофилла в листве (хвое); проективное покрытие листвой; полнота древостоя; объем биомассы на единицу площади и прочих таксационных параметров.
Таким образом, актуальность решаемой проблемы определяется, с одной стороны, необходимостью развития эффективных методов контроля лесных ресурсов, с учетом их реальных спектральных и пространственных особенностей, а с другой стороны, недостаточным развитием в настоящее время методов и технологий комплексного анализа аэрокосмических данных, полученных в различных диапазонах спектра электромагнитных волн, которые обеспечивают определение значимых характеристик растительности.
В настоящей диссертационной работе объектом исследования являются неоднородные природные среды, каковыми являются лесные сообщества. В качестве предмета исследования выбрана методология комплексного анализа радиолокационных и оптических спутниковых изображений для целей мониторинга состояния и динамики изменения лесных ресурсов.
Для решения поставленной проблемы в качестве методов исследования используются методы кластерного, корреляционного и текстурного анализов, геоинформационные технологии, а также и фрактальный подход, являющийся развитием методов текстурного анализа.
Цель работы заключается в создании научных основ комплексирования данных многодиапазонного аэрокосмического зондирования для контроля за био- и геофизическими параметрами лесных ресурсов.
В соответствии с поставленной целью задачи исследования представляются в следующем виде:
обоснование совместного использования данных оптического и микроволново-
го диапазонов для более полного описания состояния лесных ресурсов;
разработка и усовершенствование наиболее адекватных методов и алгоритмов
тематической и проблемно-ориентированной обработки поляриметрических радарных и многоспектральных оптических изображений;
выявление основных закономерностей двумерных распределений яркости ис-
ходных оптических и радиолокационных изображений, производных от них и дисперсий яркости для различных пространственных масштабов, полученных специфичными для каждого диапазона методами;
создание эффективных, физически обоснованных методов синтеза разнородной
пространственной информации для улучшения возможностей тематического дешифрирования аэрокосмических изображений различных диапазонов спектра в целях мониторинга лесных ресурсов. Научные положения, выносимые на защиту:
Концепция радарных индексов интерферометрической когерентности, основанная на обобщенной методологии анализа многоспектральных оптических данных, которая улучшает точность оценки таксационных параметров равнинных лесов до 70 %.
Трехканальный метод обработки многозональных оптических изображений, корректирующий влияние аддитивной и мультипликативной составляющих помехи, при условии их равных значений во всех каналах, обеспечивающий однозначное разделение почвенных и растительных покровов по пороговому значению, выраженному в виде перехода от отрицательных к положительным величинам.
Эффективные технологии обнаружения лесных аномалий, основанные на предложенных методах синтезирования массивов УЭПР или интерферометрической когерентности радиолокационных изображений, а также соответствующих значений вегетационных индексов, полученных по многоспектральным оптическим изображениям, которые улучшают разделение перекрывающихся кластеров на величину до 45%.
Новая поляризационная сигнатура пространственных разномасштабных флуктуации обратного радарного рассеяния, позволяющая классифицировать земные покровы по степени неоднородности и оценить их характерную геометрическую структуру.
Методология количественной оценки низкочастотных вариаций разности фаз сополяризованных радиолокационных сигналов, обеспечивающая разделение исходного одномодального распределения на три моды и позволяющая при автоматизированной классификации выделять леса с преобладающими диаметрами стволов деревьев менее 12 см.
Научная новизна заключается в разработке новых подходов и методов дистанционного контроля био- и геофизических параметров лесных ресурсов при совместном использовании аэрокосмических изображений радио и оптического диапазонов спектра. В частности:
разработана концепция совместного использования оптических и радарных изображений для мониторинга лесных ресурсов путем одновременного учета интерферометрической когерентности на различных поляриметрических комбинациях, а также характерного для оптического диапазона двумерного распределения яркостей, являющегося обобщением метода расчета индексов вегетации;
предложен новый метод классификации основных типов земных покровов по 8-битовым изображениям, в котором учитывается форма спектральной кривой, восстанавливаемой по трем ключевым каналам, и корректируется влияние двух составляющих шума, неизвестных, но одинаковых во всех анализируемых спектральных диапазонах;
разработана технология комплексирования в одном изображении спектральных особенностей отражения в оптическом диапазоне и величин обратного радарного рассеяния в дециметровом диапазоне длин волн, позволяющая одновременно оце-
нивать состояние лесных массивов по уровням неоднородностей микронного и дециметрового масштабов;
предложен метод синтеза разнородных спутниковых данных, основанный на установленной высокой положительной корреляции значений интерферометрической когерентности на согласованных поляризациях с изображениями индексов, характеризующих свойства почв в оптическом диапазоне, и отрицательной корреляции с индексами, связанными с биологическими параметрами растительности;
впервые предложен метод классификации земных покровов по степени шероховатости и объемной неоднородности на основе количественной оценки разномасштабных пространственных флуктуации обратного радарного рассеяния при различных углах наклона линейной поляризации на приеме, обеспечивающий возможность оценки преобладающей геометрической структуры пространственных неоднородностей леса;
установлено, что высокочастотные пространственные флуктуации разности фаз сополяризованных радиосигналов искажают самоподобную структуру изображений, а низкочастотные вариации несут дополнительную информацию об объекте исследования и поэтому должны учитываться при контроле лесных ресурсов.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы для:
создания и модернизации аэрокосмических систем междисциплинарного мониторинга состояния и динамики изменения лесных ресурсов;
разработки новых автоматизированных технологий формирования и обновления материалов лесоустройства;
развития фундаментальных основ новых геоинформационных технологий многодиапазонного зондирования природной среды.
Практическая значимость и использование результатов исследований. Результаты диссертации имеют практическое значение для комплексной оценки состояния лесных ресурсов с учетом содержания хлорофилла, определенного по мультиспек-тральным оптическим изображениям, а также объема надземной биомассы и геометрической структуры природных неоднородностей, определяемых по поляриметрическим радиолокационным данным. Комплексирование многодиапазонных данных позволяет более полно и точно оценить различные аномалии в лесных сообществах. Полученные в диссертационной работе выводы дополняют и расширяют существующие
представления о возможностях аэрокосмических методов мониторинга таких неоднородных природных сред, как леса.
Значительная часть результатов диссертации использована при проведении работ в рамках: Международного целевого комплексного проекта «Природа» на базе одноименного модуля орбитальной станции «Мир» (1996-1998гг.); интеграционного комплексного проекта СО РАН №13 «Аэрокосмическая радиолокация и радиометрия» (2003-2006 гг.); проекта «Разработка методов космической радиолокации и радиометрии территории Сибири» по Федеральной целевой программе «Интеграция» 2002-2006 гг.; комплексного проекта «Технологии оценки состояния и динамики растительных ресурсов наземных экосистем на основе дистанционного мониторинга» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.»; проектов РФФИ-Байкал №№ 05-02-97201, 05-02-97205; РФФИ-Сибирь №№ 08-02-98003, 08-02-98010; программы фундаментальных исследований СО РАН на 2007-2009 гг. «Радиофизические методы диагностики окружающей среды».
Материалы диссертации применялись для оперативного обновления лесоустроительного материала в Байкало-Кударинском лесничестве Кабанского лесхоза Республики Бурятия, при создании цифровых тематических карт особо охраняемых природных территорий по договорам с Министерством природных ресурсов Республики Бурятия и Экологическим фондом республики, а также используются в лекционных и практических занятиях по дисциплине «Фотограмметрия и дистанционное зондирование территорий» в Бурятском госуниверситете.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием методов и подходов, описанных в научной литературе, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при проведении научных исследований, а также отсутствием противоречий с известными достоверными общепризнанными научными результатами. Кроме того, для подтверждения достоверности полученных результатов была проведена их валидация на основе материалов лесоустройства и полевого дешифрирования, продемонстрировавшая хорошее согласие: по разделению основных типов земной поверхности (до 90%), а по определению полноты древостоя на уровне 70%. Личный вклад автора. В совместных работах [1-3, 8-12] автору принадлежат выбор направления исследований, постановка задачи и непосредственная эксперименталь-
ная обработка данных. Интерпретация и обсуждение результатов проведены с соавторами. В работах [6, 7] выбор направления исследований и интерпретация результатов выполнены совместно с соавторами, постановка конкретной задачи с точки зрения поляриметрии и обработка выполнены лично автором.
Апробация результатов. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на XVIII, XX, XXI Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996; Нижний Новгород, 2002; Йошкар-Ола, 2005), Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн (Улан-Удэ, 1996), Юбилейной сессии РАЕН (Москва, 1997), XX юбилейной научно-технической конференции ЦНИИ «Комета» «Новые технологии создания и испытаний глобальных информационно-управляющих систем (ГИУС). Диверсификация систем оборонного назначения» (Москва, 1997), Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Физическая экология)» (Москва, 1997), II, IV Всероссийских совещаниях «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 1998; 2007); III, IV Всероссийских научных конференциях «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды (Муром, 1999; 2000), European Symposium on "Remote Sensing", (Firenze, Italy, 1999), XI International conference IFBRA. Workshop GOFC. "Boreal forests and environment: local, regional and global scales" (Krasnoyarsk, Russia, 2002), Всероссийской научной конференции «Физика радиоволн» (Томск, 2002), International Geoscience and Remote Sensing Symposium - IGARSS-2004, 2005 (Anchorage, USA, 2004; Seoul, Korea, 2005), Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов: Междисциплинарные подходы к управлению природными ресурсами» (Улан-Удэ - Улан-Батор, 2004), Всероссийской научно-методической конференции «Моделирование географических систем» (Иркутск, 2004), Международной конференции по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде «CITES 2005» (Новосибирск, 2005), III-V всероссийских конференциях "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, 2005; 2006; 2007), международном симпозиуме «Asia-Pacific Remote Sensing» (Goa, Индия, 2006), III Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007), XIV International Symposium "Atmospheric
and Ocean Optics, Atmospheric Physics" (Бурятия, 2007), Международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты» (Иркутск, 2008). Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 54 печатных работах и трудах конференций, симпозиумов, включая 3 учебных пособия. Из них 12 статей опубликовано в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 238 литературных источников. Объем диссертации составляет 217 страниц, включая 64 рисунка и 7 таблиц.
