Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ роли и места космических средств наблюдения в решении задач мониторинга состояния лесов
1.1. Понятие состояния лесов и методы его оценки 16
1.2. Влияние состояния леса на его биопродуктивность 22
1.3. Анализ роли и места космических средств наблюдения в решении задач мониторинга состояния лесов 24
1.4. Анализ показателей информативности и достоверности интерпретации данных космического мониторинга состояния лесов 32
1.5. Постановка задачи исследований и разработка методической схемы ее решения 35
Выводы по разделу 42
Глава 2. Методические основы пред проектно го обоснования применения КА ДЗЗ для мониторинга состояния лесов
2.1. Общие требования к дистанционной космической информации для оценки экологического состояния лесов 46
2.2. Получение и интерпретация многолетних данных космического мониторинга состояния лесов 54
2.2.1. Методика оценки биологической продуктивности лесов на основе обработки дистанционной космической информации 54
2.2.2. Модель лесной экосистемы 62
2.2.3. Методика анализа временного ряда динамики биологической продуктивности леса 71
2.2.4. Методика классификации экологического состояния лесов 84
2.2.5. Обобщенная методическая схема получения и интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния лесов 90
2.3. Предпроектное обоснование применения КА ДЗЗ для мониторинга состояния лесов 93
2.3.1. Методические положения по обоснованию требований к аппаратуре наблюдения 93
2.3.2 Методика расчета периодичности наблюдений 98
2.3.3. Методика выбора типа КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для получения данных космического мониторинга состояния лесов 102
Выводы по разделу 106
Глава 3. Результаты пред проектного обоснования основных требований к характеристикам КА ДЗЗ и прикладные аспекты космического мониторинга состояния лесов
3.1. Расчет периодичности наблюдений 110
3.2. Выбор КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для мониторинга состояния лесов 114
3.3. Оценка информативности и достоверности интерпретации данных космического мониторинга состояния лесов при учете динамики развития растительного покрова 120
3.4. Мониторинговые исследования динамики развития лесов на примере 126
Выводы по разделу 135
Заключение 138
Список литературы 141
- Анализ роли и места космических средств наблюдения в решении задач мониторинга состояния лесов
- Методика анализа временного ряда динамики биологической продуктивности леса
- Выбор КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для мониторинга состояния лесов
- Мониторинговые исследования динамики развития лесов на примере
Введение к работе
Резкий рост уровня антропогенного воздействия на окружающую среду в сочетании с низкой эффективностью и разобщенностью природоохранных мероприятий привел за последние десятилетия к значительному ухудшению экологической обстановки в различных регионах Российской Федерации. Наиболее уязвимыми оказались промышленно-развитые районы с высокой концентрацией промышленных производств топливно-энергетического, химического, металлургического и др, профилей, приведших к превышению уровней допустимой экологической нагрузки на природную среду, возникновению потенциально опасных чрезвычайных ситуаций. Компенсировать перечисленные последствия позволяют регуляторные способности биосферы, в основном, растительности. На конференции по окружающей среде в Рио де Жанейро (июнь 1992 г.) была особо подчеркнута глобальная роль лесов для выживания и устойчивого развития человечества. Россия, подписав основные документы этой конференции, взяла на себя обязательства на национальном уровне руководствоваться принципами устойчивого развития лесов и сохранения биологического разнообразия.
Негативное воздействие человека на окружающую среду делает чрезвычайно важным развитие средств и систем контроля опасного антропогенного воздействия на среду обитания, высокооперативного выявления катастрофических явлений. Своевременному предупреждению о них, повышению оперативности и эффективности мер по ликвидации последствий этих опасных явлений на основе информации космических систем уделяется в настоящее время особое внимание [59].
Постановлением коллегии Федеральной службы лесного хозяйства России от 19 октября 1993г. приняты основные положения лесного мониторинга в России [51]. Лесной мониторинг является составной частью Единой государственной системы экологического мониторинга в Российской Федерации. Однако органы управления лесным хозяйством России, особенно федерального и регионального уровней, испытывают значительные трудности в
5 оперативном управлении лесами, т. к. при подготовке и обосновании принимаемых решений не обладают в настоящее время достоверной, оперативной и систематизированной информацией о произошедших изменениях в состоянии лесного фонда, которую с успехом можно было бы получать с помощью космических средств наблюдения. Существующие наземные методы получения природно-ресурсной и экологической информации не в полной мере обеспечивают потребности регионов в части осуществления экологического мониторинга. Необходим переход на качественно новый уровень получения информации.
Основной задачей мониторинга лесов является экологическая и экономическая оценка последствий хозяйственной деятельности человека. Научная организация этого процесса требует умения прогнозировать динамику роста и развития насаждений, В системе лесного хозяйства достаточно продолжительное время для этих целей применяются таблицы хода роста, составленные по данным наземной таксации. Однако, ввиду значительного обобщения экспериментальных данных, они не могут являться основой для организации мониторинга. Особые трудности испытывает применение таблиц хода роста для насаждений, произрастающих в условиях антропогенного (техногенного) воздействия. Следует отметить также, что таблицы хода роста не учитывают такой важный момент развития насаждений, как цикличность-Космические средства наблюдения обеспечивают новый подход к оценке экологического состояния лесов с использованием временных рядов. Однако применение космических средств наблюдения в данном конкретном случае требует наличия:
бортовой измерительной аппаратуры КА, обладающей соответствующими характеристиками;
новых информационных технологий для определения функциональных зависимостей между спектральными характеристиками лесной растительности и их биопродуктивностью по космической информации.
Эффективное использование космических средств наблюдения возможно лишь на основе системного решения проблемы [48].
Дистанционно с использованием авиационных и космических средств ДЗЗ состояние леса определяют на основе результатов измерения его оптических характеристик. За последние 30-40 лет в отечественном лесоведении изучению спектральной отражательной способности древесной растительности были посвящены исследования СВ. Белова (1959)[4], Н.Г. Харина (1965)[71]? Б.Ф. Виноградова (1984)[6], А.С. Исаева и Ф,И. Плешикова (1997)[26], Н.Н. Выгодской (!987)[9], В.М. Жирина (1993)[21] и др., однако в данных работах динамика изменения оптических характеристик подстилающей растительности учитывается не достаточно. В этих работах определяются линейные тренды характеристик, между тем для растений характерно периодическое изменение их характеристик. Сложность в определении этих характеристик с использованием космических средств обусловлена рядом ограничений, а именно:
значительная вариация спектральных характеристик объекта наблюдения в зависимости от вегетационного периода, климатических условий, рельефа местности;
смешанное произрастание лесной растительности;
зависимость качества данных об объекте наблюдения от метеорологической обстановки.
Основная доля поступающей от космических средств наблюдения информации лежит в видимом диапазоне длин волн или в ближнем ИК-диапазоне. В этом диапазоне функционируют целый ряд зарубежных спутников наблюдения, таких как «SPOT», «LANDSAT» и др. Количество отечественных КА наблюдения, функционирующих на орбитах, ограничено. При этом используемая спектрозональная бортовая измерительная аппаратура не в полной мере удовлетворяет решению целевой задачи. В нашей стране космическое наблюдение осуществлялось с помощью КА оптико-электронного наблюдения типа «Ресурс-01» и фотографического наблюдения «Ресурс-Ф».
7 Опыт эксплуатации данных КА показал ряд их недостатков, особенно с появлением новых задач, таких как экологический мониторинг, контроль чрезвычайных ситуаций и др. В России имеется опыт использования информации космических средств наблюдения только для обнаружения техногенных и некоторых видов природных объектов для которых характерны стабильные спектральные характеристики.
Методические вопросы анализа периодических критериев спектральных характеристик при мониторинге состояния лесов не проработаны.
Следует также учитывать очевидные на данном этапе экономические ограничения по созданию специализированной космической системы мониторинга состояния лесов, строительства отдельных пунктов приема космической информации и т.д.
Указанные обстоятельства определяют актуальность системного исследования вопросов применения средств космического мониторинга для оценки состояния лесов.
Целью диссертационной работы является повышение информативности и достоверности оценки состояния лесов на основе применения космических средств наблюдения и учета динамики развития растительного покрова.
Для достижения поставленной цели в диссертации решается акіуальная научная задача разработки комплекса методик предпроектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов. Решение данной задачи включает:
- обоснование метода интерпретации многолетних данных космического
мониторинга состояния лесов;
разработку комплекса методик получения и интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния лесов;
разработку комплекса методик по предпроектному обоснованию требований к характеристикам КА ДЗЗ, реализующим предлагаемый способ получения и интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния лесов;
- апробацию разрабатываемого методического аппарата на практическом
примере.
Объектами исследования в данной работе являются космические системы наблюдения и лесные экосистемы. Предметом исследования - применение средств космического наблюдения для мониторинга состояния лесов.
Научно-методической базой исследования послужили работы отечественных и зарубежных ученых в области разработки перспективных космических средств наблюдения лесных экосистем, а также наземных средств лесной таксации, контроля состояния лесов и дендроиндикации.
Исследованию качественных показателей функционирования космических систем мониторинга, принципам их организации, теории расчета элементов систем посвящено большое количество работ. Основные отечественные теоретические разработки, связанные с методологией анализа и синтеза космических систем мониторинга были проведены ФЛ\ Ханцеверовым (1970г.), Н.С. Кондауровым (1972г,), ВЛЗ. Остроуховым (1973г.), AT- Погорянским (1990г.)» НА. Долгих (1991г.), Малышевым В.В., Нестеренко ОЛ (2000г.) и др. В диссертации в качестве инструмента исследования использовались современные методы системного анализа, анализа временных рядов, исследования операций.
Основные положения, выносимые на защиту:
комплекс методик предпроектного обоснования применения космических средств для мониторинга состояния лесов, включающий:
методику оценки биологической продуктивности лесов на основе обработки дистанционной космической информации;
методику классификации экологического состояния леса;
методику расчета периодичности наблюдений;
методику выбора типа КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для получения данных космического мониторинга состояния лесов;
" модель лесной экосистемы;
- предложения по реализации метода космического мониторинга
состояния лесов.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
биопродуктивность предложено получать дистанционно, при помощи перспективных КА наблюдения, оснащенных спектрозональной и радиолокационной аппаратурой наблюдения;
разработанная методика классификации экологического состояния леса исходит не только из наблюдаемых признаков состояния леса, но и из тенденций их изменения, сигнализирующих об экологическом неблагополучии в принципе;
в методике расчета периодичности наблюдений при мониторинге состояния лесов, учитывается динамика показателя биопродуктивности;
выбор КА ДЗЗ и целевой аппаратуры наблюдения, информация с которых пригодна для оценки экологического состояния лесов, осуществлен с использованием векторов частных характеристик КА ДЗЗ, определения значения весовых коэффициентов методом статистического моделирования, вычисления сводного показателя и ранжирования характеристик космических аппаратов методом стохастической квалиметрии.
Достоверность и обоснованность полученных результатов и сделанных выводов подтверждаются положительными результатами эксперимента по мониторинговым исследованиям динамики развития лесного растительного покрова на модельном примере, а также - корректным использованием в работе апробированных методов системного анализа и математического моделирования.
Практическая ценность результатов работы.
Результаты работы позволяют:
повысить достоверность оценки состояния лесов для уменьшения эколого-экономического и социального ущерба от воздействий природного и техногенного характера;
- с учетом особенностей развития наблюдаемого объекта в условиях
антропогенного воздействия уточнить технические требования к аппаратуре
наблюдения и сформировать требования к орбитальной структуре космических
средств для мониторинга лесов;
прогнозировать по данным космических наблюдений развитие кризисной экологической ситуации;
обосновать своевременные природоохранные мероприятия и решать с помощью космических средств наблюдения практические задачи лесного мониторинга в системе управления лесным хозяйством России на федеральном и региональном уровнях.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались на IV чтениях им. М.К.
Тихонравова (2002г.), XXXIX и XL научных чтениях памяти К.Э. Циолковского (2004 и 2005г.г.), 6-ой международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (2005г.), XXIX академических чтениях по космонавтике (2005г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в т.ч. статьи в
журналах «Двойные технологии», «Сенсор», «Лесной вестник».
Реализация научных результатов.
Основные результаты диссертации использованы:
в НИОКР «Космос - СГ» (2004, 2005гг.) - в части формирования требований к АРМ ведения мониторинга лесов и основных принципов ведения мониторинга природной среды;
в НИР «Абитуриент» проведено обоснование метода интерпретации
многолетних данных космического мониторинга состояния лесов;
в НИР «Мониторинг-3» - в части обоснования требований, предъявляемых
к целевой аппаратуре и орбитальному построению КА наблюдения для
экологического мониторинга.
Результаты диссертации реализованы при создании комплекта
оборудования для экологической разведки загрязненных территорий на базе
самолета Ан-30 (ОКР «Красногорец»), а также при разработке специального математического и программного обеспечения, используемого при навигационно-баллистическом обеспечении КА наблюдения и дистанционного зондирования Земли, при проектно-поисковом обосновании основных направлений и концепции развития космической системы ДЗЗ, а также при разработке технических предложений по созданию экспериментального комплекса детального мониторинга поверхности Земли.
Структура диссертации и краткая аннотация ее глав.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка
использованной литературы и 4 приложений. Работа изложена на 160 страницах машинописного текста и включает 29 рисунков и 11 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность постановки и проведения исследований по применению космической системы для мониторинга состояния лесов, новизна и практическая значимость диссертационной работы, формулируется цель и задача исследования, дается информация по апробации работы и структуре диссертации.
В первой главе проведен анализ возможностей существующих и перспективных космических систем дистанционного зондирования Земли по решению задачи мониторинга состояния лесов. Показано, что космическая информация может быть использована при решении широкого круга задач мониторинга лесов [47]. Лесная растительность наиболее наглядно отражает изменения экологического состояния территории в результате антропогенного воздействия. На основании проведенного анализа установлено, что важнейшими индикаторными признаками являются характеристики процессов продукции и распада растительной органики. Проведен анализ публикаций, сравнительная оценка различных методов оценки состояния леса, выявлены преимущества дистанционных методов. Проведен анализ показателей информативности и достоверности интерпретации данных космического мониторинга состояния леса. В соответствии со спецификой решаемой задачи
12 показатель информативности определен следующими характеристиками КА наблюдения:
шириной и количеством спектральных диапазонов;
спектральным разрешением;
линейным разрешением изображения;
- площадью территории, изображение которой получено в одной сцене
(следовательно, - полосой обзора аппаратуры наблюдения);
- количеством наблюдений одного и того же участка земной поверхности.
Показатель достоверности представляет собой вероятность достоверной
интерпретации изображения заданного участка леса Рд.
Кроме того, в главе сформулирована научная задача и выработаны основные направления проведения исследований.
Во второй главе разрабатывается комплекс методик предпроектного
обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга
состояния лесов. В данной работе сделана попытка объединения интересов и
потребителя ДЦЗ, и разработчика КА ДЗЗ. Предлагаемый комплекс методик
условно можно разделить на две части:
- «методики потребителя» ДЦЗ, описывающие порядок получения и
интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния
лесов;
- «методики разработчика» аппаратуры и КА ДЗЗ, непосредственно предназначенные для обоснования требований к характеристикам КА ДЗЗ.
Здесь требования к характеристикам аппаратуры и КА ДЗЗ непосредственно вытекают из предназначения и порядка использования (тематической обработки) ДДЗ. В то же время «методики потребителя» основываются но новом предлагаемом способе получения и интерпретации данных космического мониторинга состояния лесов, учитывающем динамику жизненного цикла лесных экосистем и позволяющем полнее использовать возможности КА ДЗЗ. По этой причине вопросы обработки и интерпретации
13 ДДЗ в контексте обоснования конкретного целевого применения КА наблюдения потребовали подробного рассмотрения.
Сформулированы общие требования к дистанционной космической информации, обеспечивающие ее пригодность для решения задачи оценки состояния лесов.
В разработанной методике оценки биологической продуктивности лесов на основе обработки дистанционной космической информации предлагается использовать комплексирование космических спектрозональных и радиолокационных изображений.
В данной работе разработана обобщенная модель лесной экосистемы, позволяющая рассчитывать, оценивать и прогнозировать биопродуктивность отдельно взятого гэпа. Ее отличительной особенностью является то, что она позволяет учесть влияние эндогенных и экзогенных факторов на состояние лесной экосистемы. Анализ временного ряда биопродуктивности проводится на основе описанных в модели закономерностей развития лесной экосистемы.
Разработана методика классификации экологического состояния леса.
Исходными данными для классификации служат временные ряды изменения
биопродуктивности заданного участка леса, экологическое состояние которого
необходимо оценить, и эталонных массивов, результаты их анализа, данные о
динамике лесопокрытия заданного участка леса, а также данные об активности
Солнца (динамика изменения числа Вольфа). Корреляция биопродуктивности и
степени экологического благополучия леса - перспективный метод
определения экологического состояния лесов. Экологическое состояние
заданного участка леса оценивают по шкале «норма», «нарушенное состояние»,
«критическое состояние». Алгоритм классификации представляет собой
логико-математическую процедуру, в результате применения которой
получают множество классификационных признаков. Окончательная
классификация экологического состояния леса производится по
одновременному совпадению более чем одного частного признака классификации.
14 Выбор КА и аппаратуры наблюдения осуществляется по степени наилучшего приближения частных характеристик существующих типов КА ДЗЗ к требуемым характеристикам. Поскольку данная задача является задачей многокритериального сравнения по разнородным, имеющим различный физический смысл, частным показателям, определяемым с различной степенью приближения, решено было в качестве методического аппарата сравнения и выбора наилучшего КА ДЗЗ использовать метод стохастической квалиметрии. Важным моментом при организации мониторинга является задание периодичности наблюдения. Исследования показывают, что периодичность наблюдений при мониторинге состояния лесов представляет минимальный интервал времени, через который установленная на КА наблюдения аппаратура позволяет зафиксировать изменение биомассы лесной растительности.
Изложены требования к характеристикам бортовой аппаратуры, предлагается использовать два типа целевой аппаратуры: спектрозональная и радиолокационная. Это связано с тем, что для оценки биопродуктивности заданного участка леса предлагается использовать комплексирование космических спектрозональных и радиолокационных изображений. Лес имеет многоярусную структуру, и если при определении продуктивности сельхозугодий было достаточно измерить только спектральные характеристики растительности, то в случае с лесным насаждением использование этого метода снижает точность и достоверность результата.
В третьей главе представлены результаты предпроектного обоснования требований к характеристикам КА ДЗЗ и прикладные аспекты космического мониторинга состояния лесов.
По предложенной во второй главе методике произведен расчет периодичности наблюдений для средней полосы России. Потребная периодичность космических наблюдений при мониторинге экологического состояния лесов составляет порядка 3-х недель для спектрозональной съемки и 2-х месяцев - для радиолокационной.
15 Выбор КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения в целях осуществления мониторинга состояния лесов осуществлен на основе предложенных частных показателей. В качестве примера рассматривался выбор оптимальной орбитальной структуры системы наблюдения, состоящей из функционирующих и разрабатываемых КА ДЗЗ.
Первый вариант - орбитальная группировка КА радиолокационного наблюдения «Аркон-2» и КА оптико-электронного наблюдения «Ресурс -ДК1».
Второй вариант - орбитальная группировка зарубежных средств ДЗЗ. Это КА радиолокационного наблюдения «Radarsat» и КА оптико-электронного наблюдения «Spot-5».
Третий вариант - наиболее предпочтительный с экономической точки зрения - это орбитальная группировка, образованная МКА типа «Кондор - Э» (радиолокационного наблюдения) и «БелКА» (оптико-электронного наблюдения).
Проведена оценка информативности и достоверности оценки состояния лесов на основе применения космических средств наблюдения и учета динамики развития растительного покрова. Повышение информативности достигается за счет увеличения числа наблюдений и использования снимков с высоким пространственным, спектральным и радиометрическим разрешениями.
Достоверность интерпретации данных космического мониторинга состояния лесов может быть существенно повышена за счет учета динамики их развития.
Анализ роли и места космических средств наблюдения в решении задач мониторинга состояния лесов
Основной задачей мониторинга лесов является экологическая и экономическая оценка последствий хозяйственной деятельности человека. Возросшие требования к достоверности и оперативности получения информации о лесном фонде обуславливают необходимость применения передовых технологий при ее сборе и последующем использовании. На протяжении полутора веков неотъемлемой частью учета лесов и лесоуправления являются таблицы хода роста, введенные Варгасом де Бацемаром в 1844 году. В настоящее время ввиду значительного обобщения содержащихся в них экспериментальных данных, они не могут являться основой для организации мониторинга.
Космическая информация призвана обеспечить качественно новый уровень решения целого ряда задач лесного хозяйства [24]. Если учесть огромные пространства России, неравномерное развитие транспортной инфраструктуры и ограниченность финансирования на природоохранные цели, то неизбежен вывод о преимуществах использования для целей мониторинга именно космических средств (использование авиационных средств оказывается более затратным) [49]. Если сравнить затраты на обследование 1 км лесной территории, то получим следующее: наземная таксация - 2800 руб., аэрофотосъемка - 256 руб., космическая съемка - 30 руб.
В рамках комплексного мониторинга лесов с помощью методов космического дистанционного зондирования развиваются в основном пять направлений:
- охрана лесов от пожаров;
- контроль санитарно-лесопатологического состояния лесов;
- контроль территорий, загрязненных радионуклидами;
- контроль лесопользования и лесовосстановления;
- оценка состояния лесных экосистем и лесного покрова [65].
При помощи существующих российских и зарубежных космических средств ДЗЗ может решаться порядка 40 % задач, составляющих эти направления (табл. 1.3.1.). Особую сложность вызывают задачи контроля санитарно-лесопатологического состояния лесов и контроля территорий, загрязненных радионуклидами. Существующие многоспектральные сканерные системы, устанавливаемые на космических аппаратах дистанционного зондирования Земли («Ресурс-О», «Метеор-ЗМ», «Аркон») не позволяют выявить лесопатологические изменения на ранних стадиях вследствие низкого спектрального разрешения. Что касается контроля радиационного загрязнения лесов, то с орбиты это можно сделать лишь по вторичным признакам, заключающимся в незначительных изменениях спектральных характеристик растительности. Существующая аппаратура также не в состоянии зафиксировать такие изменения из-за низкого спектрального разрешения. Некоторые ограничения на решение остальных групп задач накладывает также отсутствие в российской орбитальной группировке КА радиолокационного наблюдения. Однако, в перспективе практически все задачи мониторинга состояния лесов могут быть решены. Наиболее существенный вклад в их решение внесет использование гиперспектральной видеоспектрометрической аппаратуры. Гиперспектральным считается разрешение менее 5 нм. Проведение дистанционного зондирования одновременно с высоким пространственным (от 100-1000 элементов в строке двухмерного изображения) и спектральным (1-5 нм) разрешением получило название гиперспектрометрии [53]. От многозональных снимков, имеющих обычно до 5, редко 10-20 спектральных каналов, гиперспектрометрия отличается не только количественными показателями (500-1000 спектральных каналов), но и качественно - по принципу работы измерительной аппаратуры и методам обработки данных. Так, в частности, при гиперспектральных измерениях можно проводить субпиксельную обработку изображений. Субпиксельная обработка позволяет провести в каждой пространственной точке анализ состояния леса не только по специфическим особенностям в спектре отражения, но и по общей функции коэффициента отражения от длины волны света, которая не обязательно должна содержать какие-либо характерные особенности. Анализу подвергается весь образ, что обеспечивает качественное повышение информативности гиперспектральных измерений по сравнению с другими методами [43]. В настоящее время в России ведется разработка малого К А "Ресурс-ОГ с видеоспектрометром с пространственным разрешением 20 м и спектральным разрешением 1-2 нм, а также двух гиперспектральных микроспутников "Вулкан-Астрогон" и "Вулкан-Лимб". Аппаратура обоих микроспутников обладает спектральным разрешением 1-2 нм. Отличаются они пространственным разрешением (соответственно 2-3 м и 1 км) [24, 35]. При осуществлении мониторинга состояния лесов КА с гиперспектральной аппаратурой на борту позволят успешно решать, прежде всего, задачи контроля санитарно-лесопатологического состояния лесов, радиационного загрязнения, а также более детальной оценки состояния лесных экосистем.
Методика анализа временного ряда динамики биологической продуктивности леса
С использованием результатов дистанционного космического мониторинга леса определяется временной ряд изменения биопродуктивности H(t), t, е [to, tj. Во временном ряде значений биопродуктивности H(t) выделяют три компоненты: H(t) = Hc(t)+Hu(t)+, (2.2.3.1) где
Hc(t) - детерминированная сукцессионная компонента, представляющая собой некоторую аналитическую функцию, выражающую тенденцию во временном ряде изменения биопродуктивности;
НцОї) - компонента, отражающая периодический и квазипериодический характер вариаций биопродуктивности;
є - случайная компонента биопродуктивности.
Кроме того, задан ряд чисел Вольфа, характеризующий солнечную активность. Будем называть его задающим временным рядом.
Анализ временного ряда динамики биологической продуктивности леса заключается в:
- оценке сукцессионной, периодической (квазипериодической) и случайной компонент полученного временного ряда биопродуктивности;
- оценке корреляции (влияния) временного ряда изменения солнечной активности
- задающего ряда - и временных рядов изменения биопродуктивности леса.
Оценка сукцессионного тренда биопродуктивности
Вычитание тренда из исследуемого ряда биопродуктивности является изменением масштаба данных и сохраняет полную информацию о вариации ряда.
В литературе [54] указывается, что в общем случае для продолжительных временных рядов биопродуктивности невозможно указать подходящую параметрическую кривую для аппроксимации ряда на всей его длине. Поэтому для выделения тренда обычно используют различные непараметрические методы анализа временных рядов, такие как, сглаживание скользящими средними или скользящими медианами, частотную фильтрацию и т.п. [5, 27]. В отличие от параметрических методов выделения тренда, эти методы пригодны лишь для осреднения значений ряда по точкам некоторой окрестности и не могут быть использованы для прогнозирования (экстраполяции) динамических рядов, поскольку не дают в явном виде расчетного уравнения детерминированной компоненты. Получение достаточно гладкой траектории дает возможность визуально оценить наличие тенденции в условиях сильной зашумленности.
Однако в случае оценки сукцессионного тренда биопродуктивности аппроксимирующая его параметрическая кривая вполне может быть описана кусочно-линейными функциями вида:
Выбор КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для мониторинга состояния лесов
Работы по созданию многоцелевой космической системы радиолокационного наблюдения «Аркон-2» опираются на более чем 30-летний опыт предприятия в области космического дистанционного зондирования (в том числе - успешного радиолокационного картирования поверхности планеты Венера с межпланетных станций «Венера-15, -16»). По своим характеристикам «Аркон-2» не уступает, а по способности выявлять замаскированные и заглубленные объекты превосходит лучшие зарубежные аналоги.
Комплекс обеспечивает детальную, обзорную и маршрутную съемки (в том числе с синтезом радиолокационной информации) в полосах обзора до 500 км, съемку объектов с размерами до 100 км и маршрутов протяженностью до 4000 км, ежесуточное наблюдение заданного района одним КА, высокую производительность, функционирование на орбите в интересах потребителей до 10-15 лет. Выводить на орбиту комплекс будет РН среднего класса типа «Союз».
Высокая информационная производительность этих систем, (1,5 - 1 метровая разрешающая способность радиолокаторов, скорость передачи информации в радиолинии 300 Мбит/с) позволяет говорить о появлении нового не только в России, но и в мире, поколения радиолокационных космических комплексов, благодаря использованию двухчастотного космического радиолокатора с синтезированной апертурой "СПИНАР-1ДМ" (табл. 3.2.5).
Вариант 2. Самым последним и передовым по характеристикам в настоящее время является спутник SPOT 5. Спутник оснащен высокоточным стереоскопическим детектором, позволяющим получать стереоснимки для топографических целей и построения моделей рельефа, и двумя камерами высокого разрешения (High Resolution Geometric imagers), позволяющими получать черно-белые изображения с разрешением 5 м, а в режиме стереосъёмки 2,5 м и цветные - с разрешением 10 метров. Кроме того, на Spot 5 установлена камера Vegetation 2, позволяющая получать практически ежедневно снимки всей поверхности Земли с разрешением 1 километр.
Лидером среди коммерческих радиолокационных систем Radarsat делают большое число режимов съемки, вплоть до 8-ми метрового пространственного разрешения, «всепогодность», а также возможность заказа съемки.
Вариант 3. «БелКА» относятся к классу аппаратов малой размерности и предназначены для оперативной съемки земной поверхности. «БелКА» даст возможность получать панхроматические изображения с разрешением 2,5 м, и мультиспектральные - с разрешением 10,5 м, что позволит получать информацию, аналогичную поставляемой со спутников серии SPOT (4 и 5).
Проект «Кондор-Э» от аналогичных зарубежных программ отличается сравнительно небольшой массой космического аппарата (800 кг против 2 - 3 т) и относительно низкой стоимостью (в 4 -5 раз дешевле западных аналогов) при примерно равных технических характеристиках.
Вместо тяжелой фазированной антенной решетки на нем применена параболическая антенна диаметром 6 м, что позволит динамично перенацеливать локатор на районы съемок справа или слева от трассы полета. (Аналогичное решение реализовано пока только на американском Lacross). Каждый снимок позволит получать изображение участка местности размером не менее 10 км на 10 км с разрешением около 1 м. Результаты съемки на этом же витке будут передаваться на Землю в цифровом виде по радиоканалу. Время жизни «Кондора - Э» на орбите высотой 500 км составит 5 -7 лет. По оценкам экспертов система из нескольких таких спутников обеспечит круглосуточную и всепогодную разведку основных районов земного шара с периодичностью 2-3 часа.
Для запуска «Кондоров» планируется использовать ракету-носитель легкого класса «Стрела», созданную на базе снимаемых с боевого дежурства МБР РС-18 (западное обозначение SS-19 Stiletto), что обеспечивает снижение общей стоимости программы. В целом она составляет сумму, за которую западные компании берутся провести только эскизное проектирование космической системы.
Мониторинговые исследования динамики развития лесов на примере
Для апробации разработанного методического аппарата необходимо иметь следующие исходные данные:
- временные ряды изменения биопродуктивности по крайней мере двух единичных площадей выбранного леса: эталонного и подвергающегося техногенному воздействию;
- временной ряд изменения активности Солнца (ряд чисел Вольфа). Длительность указанных временных рядов не должна быть меньше нескольких десятков лет (в идеале - чем больше, тем лучше).
Проблема состоит в получении временных рядов биопродуктивности лесов. Дело в том, что по существующим нормативам проведения лесной таксации определение биомассы лесных гэпов проводится один раз в пять или десять лет. Аэрокосмическая же информация, к примеру, о длительных временных рядах вегетационных индексов также пока отсутствует. Спектральные характеристики лесной растительности изучаются уже в течение нескольких десятилетий, и в литературе имеется довольно обширный материал. Однако, следует учесть, что космические аппараты имеют аппаратуру различных типов и различного спектрального разрешения, поэтому использовать накопленные материалы по спектральным характеристикам не всегда возможно и правильно.
Кроме того, накопленный материал неоднороден и мало пригоден для корректного статистического анализа. Вопрос возникает в связи с тем, что разные авторы применяют различные методики измерений, неодинаковые по точности приборы, используют визирование под разными углами и т.д.
Разработанный в данной работе метод мониторинга состояния леса инвариантен по отношению к источнику получения исходных данных (временных рядов биопродуктивности) для последующего анализа. Поэтому будем использовать в модельном примере дендрохронологические ряды.
С одной стороны, как показали еще почти сто лет назад исследования американского астронома Дугласа, толщина годичных слоев древесины стоит в прямой зависимости от количества пятен на Солнце (числа Вольфа) [77]. На рис. 3.4.1 представлена зависимость усредненного прироста деревьев в лесах Англии, Норвегии, Швеции, Германии и Австрии от солнечной активности по А. Дугласу.
С другой стороны, достаточно очевидно, что толщина годичного слоя древесины пропорциональная биологической продуктивности участка леса. Основатель гелиобиологии А.Л.Чижевский установил, что, в зависимости от количества притекающей лучистой энергии, ускоряются или замедляются химические и физиологические реакции, а, следовательно, и ассимиляция питательных веществ у растений.
Самая большая дендрохронологическая летопись собрана в Аризонском университете США. Здесь среди тысячи живых деревьев имеется даже такое дерево, возраст, которого составляет 4600 лет. Кроме живых в летописи были использованы и мертвые (сухие) деревья. Вся летопись, или, другими словами, непрерывная дендрохронологическая таблица на сегодняшний день составляет более 7000 лет.
В ходе дендроэкологических исследований [62] установлено, что наиболее заметно реагируют на циклические изменения солнечной активности берёза повислая, акация белая, груша обыкновенная и сосна обыкновенная. При сравнении данных пород ритмика годовых приростов имеет сходные закономерности погодичной динамики. Наибольшие значения коэффициента корреляции (г) наблюдались между однопородными видами разных повторностей (тополь белый и тополь сереющий, сосна обыкновенная, груша обыкновенная) - 1=0,56-0,91. Наибольшая корреляция отмечена между берёзой повислой и акацией белой - г=0,89. Самым самобытным видом можно считать липу мелколистную, теснота связи ее прироста со всеми другими породами наименьшая.
В работе [62] отмечено также, что деревья, произрастающие в условиях сильного антропогенного стресса (например, загрязнения воздушного бассейна промышленными и транспортными выбросами), хорошо фиксируют хронологический «скачок» перехода к условиям экологического неблагополучия окружающей среды.
На рис. 3.4.2 представлена кривая натуральных приростов годичных колец образца То-9817-С (сосна обыкновенная - Pinus sylvestris L.) ландшафтного заказника «Толвоярви» [16] (Карелия). Данное дерево растет на минеральном склоне пологой возвышенности, на краю мезотрофного болотного массива и имеет мощный ствол, диаметром около 1 метра.
На рис. 3.4.3 дана модельная кривая натуральных приростов годичных колец сосны обыкновенной {Pinus sylvestris L.), расположенной в зоне воздействия Надвоицкого алюминиевого завода (пос. Надвоицы, Карелия).
