ДЗЗ для экологических задач Часть 2: Леса
Использование Дистанционного Зондирования Земли для задач изучения, сохранения и восстановления Природы
Часть II. Направления использования ДЗЗ в сопряжении с ГИС и Веб ГИС технологиями для решения экологических (природоохранных и научных) задач.
Освещенные направления использования не претендуют на полный охват всех существующих направлений возможного применения технологий дистанционного зондирования для экологических задач.
Статья имеет две цели:
- Cобирать примеры, иллюстрирующие качественно различные направления использования технологий дистанционного зондирования для экологических задач. Предполагается, что статья будет дополняться новыми материалами, идеи о которых можно и нужно предлагать авторам статьи в теме форума, или же включать их в статью самостоятельно, руководствуясь правилами работы с Вики ресурсом ГИС-Лаб).
- Уже освещенными направлениями - формировать представление для новичков в отрасли о том, какие вообще задачи в экологической сфере можно решать сочетанием технологий ДЗЗ, ГИС и Веб ГИС. Эта цель – задает потенциал этой работе вырасти, со временем, в иллюстрированную практическими примерами Энциклопедию использования этого сочетания технологий в экологической сфере.
I. Использование технологий дистанционного зондирования для изучения, сохранения и восстановления лесов
Одно из наиболее развитых направлений приложения дистанционного зондирования в сфере экологии – это оценка состояния растительного покрова, и, в частности, лесного покрова. Спектр приложения очень широкий и приведенный ниже перечень примеров решаемых задач – далеко не полный. Он будет пополняться по мере накопления материала.
Технологии дистанционного зондирования позволяют выявить:
1. Степень нарушенности или деградации лесной экосистемы (оценка "здоровья" или степени приближенности лесной экосистемы к ненарушенному состоянию)
2. Полнота древостоя (плотность насаждений, степень сомкнутости древостоя)
3. Преобладающий возраст древостоя
4. Преобладающий породный состав (для лесов умеренного пояса)
5. Высота деревьев и диаметр кроны (только по снимкам сверхвысокого разрешения)
6. Выявление территорий лесных пожаров в режиме почти реального времени
7. Выявление гарей свежих и старых
8. Выявление нелегальных вырубок свежих и старых
Лесные задачи, которые можно решить на базе технологий дистанционного зондирования (список не полный):
1.Проведение многолетнего мониторинга (с 1972 по наст. время) лесных экосистем с отслеживанием всех важных параметров для устойчивого использования, сохранения и восстановления леса, с целью выработки наиболее эффективных методик реализации этих целей. Например:
- Для лесопаталогии: оценка эффективности применяемых методик для устранения повреждений леса и их предотвращения;
- для задач восстановления леса: оценка эффективности применяемых методик для восстановления леса с разных стадий деградации экосистемы, для разных типов климата и ландшафтов (см. пример)
2. Выбор приоритетных территорий для включения их в разрабатываемые экологические сети или эконеты (систему связанных охраняемых природных территорий разного статуса с не вредящим природе режимом использования) (пример)
3. Выбор среди территорий, включаемых в экологические сети, приоритетных территорий для проведения на них работ по восстановления естественного растительного покрова (такие работы финансово и трудозатратны, потому, в первую очередь, выбираются лишь те территории, где эти работы остро необходимы).
4. Борьба с лесными пожарами (выявление лесных пожаров и оперативная разработка мер по их ликвидации, мониторинг лесов в пожароопасный период)
5. Борьба с нелегальными вырубками
6. Задачи лесопаталогии. Спутниковые снимки позволяют выявлять поврежденные участки леса на больших территориях и диагностировать вероятный тип повреждений: верховой пожар, усыхания древостоя, заболачивание, вырубка, зарастание и др. Это дает возможность специалистам оперативно реагировать в принятии мер против устранения причин повреждений. По каждому выявленному участку поврежденного леса необходимо провести полевые работы для уточнения причин повреждения и выработки комплекса мер противодействия. В дальнейшем технологии дистанционного зондирования используют для мониторинга ситуации (разрастается ли участок поврежденного леса, происходит ли процесс восстановления). Возможность анализировать состояние лесного покрова за 40 лет дает возможность – изучать эффективность применяемых методологий по устранению повреждений.
Ниже приведены несколько примеров, иллюстрирующих работу по этим задачам в большей детальности. Пока они касаются не всех задач, однако, впоследствии, материал может быть дополнен.
Задача 1. Использование технологий ДЗЗ для задач восстановления леса: оценка эффективности применяемых методик восстановления леса от разных стадий деградации экосистемы с целью разработки лучших методик лесовосстановления для данного типа климата и ландшафта
Для достижения высокого результата в работах по восстановлению естественного растительного покрова на территории (в том числе – лесного покрова) ключевое значение имеют – выбор методики проведения таких работ. Разработанных и применяемых методик уже много, они носят
различный характер в разном типе климата и ландшафта, но что их объединяет – так это невозможность оценить эффективность методики за короткий срок, так, чтобы вырастить лес с нуля, ждать приходится не один десяток лет. По этой причине – огромную важность представляет возможности проводить оценку всего процесса восстановления растительного покрова при применения конкретных методик восстановления за прошедший многолетний период. Такую возможность предоставляют технологии дистанционного зондирования, благодаря которым можно поднять и проанализировать данные, начиная с 1972 г (первый Landsat).
Особую важность это имеет для восстановления влажных тропических лесов – и по причине высокой биологической значимости этих биомов, и по причине их уязвимости и сложности получения восстановленного леса высокого качества (решение задачи получения восстановленного тропического леса в качестве, сравнимым с качеством ненарушенной экосистемы, - не известно).
Для примера возможного подхода к оценке эффективности методики лесовосстановления приведен анализ процесса лесовосстановления территории заповедника Alto-Montana (Бразилия), находящимся в зоне влажных тропических лесов, на котором около 60 лет проходит естественное возобновление лесного покрова, начиная со стадии пастбища и сильно разреженной растительности, сочетающихся с фрагментами ненарушенного леса.
В примере показан анализ состояния растительного покрова и в момент даты съемки (1984 и 2003), и выявление характера динамики процесса восстановления растительного покрова.
Данный пример не исчерпывает всех возможностей, а только иллюстрирует некоторые из них.
Способ 1. Использование вегетационного индекса NDVI для выявления качества и типа растительного покрова
Вегетационные индексы широко используются как для выявления экологических характеристик земной поверхности, так и для дешифрирования крупных объектов земной поверхности. Среди других вегетационных индексов, использование индекса NDVI – имеет наиболее широкий характер.
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный относительный индекс растительности - простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. [fonte]
Ниже приведена формула расчета индекса NDVI для спутниковых снимков разных сенсоров.
Здесь:
NIR – процент отраженной радиации (показание канала снимка) в ближнем инфракрасном диапазоне (Near Infra-Red): 0,7-1,0 мкм
RED – процент отраженной радиации (показание канала снимка) в красном диапазоне (Red): 0,6-0,7 мкм.
Рассчитать NDVI можно по любому снимку, имеющего каналы в красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Номера необходимых для расчета этого индекса каналов для спутниковых снимков открытого доступа Landsat, MODIS и ASTER приведены в таблице 3.
Таблица 3. Каналы сенсоров снимков открытого доступа для расчета индекса NDVI
Использование индекса NDVI основан на свойстве спектральной кривой сосудистых растений: в красной области спектра (0,6-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений (минимум отраженной радиации на спектральной кривой), а в ближней инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находиться область максимального отражения клеточных структур листа (максимум отраженной радиации на спектральной кривой). Иначе говоря,высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной (рис.16 и 17).
Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять и анализировать растительные от прочих природных объектов. Использование же не простого отношения, а нормализованной разности между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой и пр.
Чем сильнее процесс фотосинтеза, что связано с повышением здоровья и плотности растительного покрова (т.е. приближению его состояния к состоянию в ненарушенной экосистеме), тем больший процент отраженной радиации он имеет в инфракрасной области, то есть – тем большее значение имеет и индекс NDVI (рис.16 и 17). Это дает возможность определять качество и тип растительного покрова по анализу индекса NDVI.
Определенное эмпирически соответствие значение индекса NDVI и типа земного покрытия (в том числе по типу и качеству растительного покрова) представлено в Таблице 4.
Таблица 4. Тип покрытия - значение индекса NDVI
Рис. 16. Спектральная кривая зеленого листа [green leaf](с самой высокой фотосинтетической активностью), красного и желтого листа [red leaf, yellow leaf], (со сниженной фотосинтетической активности) и коричневого усыхающего листа [brown leaf] Видно, что чем ниже фотосинтетическая активность, тем меньше разница между процентом отраженной радиации в NIR и Red диапазоне, то есть – тем выше значение индекса NDVI
Рис.17. Спектральные кривые здоровой, угнетенной и сильно угнетенной растительности. Видно, что в ближнем инфракрасном диапазоне (0,7-1,0 µm) процент отражения тем выше, чем лучше состояние растительности, а в красном диапазоне (0,6-0,7 µm) - процент отражения тем ниже, чем лучше состояние растительности. Разница между показателями отражения в этих диапазонах - есть NDVI, он тем больше, чем лучше состояние растительности
Построение индекса NDVI по спутниковому снимку изучаемой территории позволяет оценить тип и состояние (степень нарушенности) растительного покрова, в том числе, – лесного покрова за дату проведения съемки. Сопоставление карт индекса NDVI за разные года – позволяет оценить динамику процесса изменения состояния растительного покрова в рассматриваемый период в лучшую или худшую сторону.
Ниже приведен простой практический пример такого анализа.
Рис.18 показывает карты индекса NDVI, сделанные для одной территории (заповедник Alto-Montana, Бразилия), на которой уже около 60 лет проходит процесс естественного возобновления тропического леса) по двум снимкам: Landsat5 1984 года (1984.08.09) и Landsat7 2003 года (2003.02.27).
Целями построения этих карт было:
- оценить степень нарушенности растительного покрова
- оценить динамику изменения растительного покрова, произошедшего за 19 лет (между 1984 и 2003 годами)
Сопоставляя полученное значения индекса NDVI с Таблицей 4, а также исходя из понимания, что чем выше индекс NDVI, тем гуще и лучше лесной покров, можно провести анализ состояния растительного покрова за два указанных года и визуально оценить процесс изменения этого состояния за 19 лет.
Так, если на карте 1984 г. лишь небольшие участки имели значения NDVI 0,67-0,73 (зеленый цвет), то на карте 2003 г. площадь таких участков значительно увеличилась. Северо-западный участок территории в 1984 г. имел значение индекса 0,2-0,4 (оранжевый цвет) а в 2003 г. от 0.5 до 0.73, что говорит о повышенной скорости возобновления именно на этом участке.
Карта рис.19 представляет для этой же территории разность индекса NDVI 2003 года и индекса NDVI 1984 года, что позволяет перевести оценку изменения состояния растительного покрова за 19 лет в числовой формат: чем больше значение параметра на этой карте, тем, соответственно, в лучшую сторону изменилось состояние растительного покрова. Базируясь на этой карте - мы можем повторить и уточнить сделанные нами выводы.
Рис.18. Карты индекса NDVI, рассчитанные для территории заповедника Alto-Montana по снимкам Landsat5 (1984 год) и Landsat7 (2003 год)
Рис.19 NDVI(2003) - NDVI (1984)
Способ 2. Использование цветных композитов из трёх спектральных каналов в цветовом пространстве RGB для определения типа и степени нарушенности растительного покрова
Метод цветных композитов позволяет выявлять различные характеристики наземного покрова, за счет того, что различные сочетания каналов окрашивают объекты разного типа в разные цвета.
Теоретическая основа метода кратко освещены в первой части статьи.
Некоторые ходовые сочетания цветных композитов и интерпретации их результатов раскрыты в статье ГИС-Лаб:
http://gis-lab.info/qa/landsat-bandcomb.html
Для оценки типа и состояния нарушенности растительного покрова метод цветных композитов может работать в сочетании с методом индекса NDVI для целей более широкого анализа территории, а также для сравнения результатов, полученных разными способами.
В примере на рис. 20 для тех же снимков Landsat 5 (1984 года) и Landsat 7 (2003 года) территории заповедника Alto-Montana были построены цветные композиты в системе RGB 7,4,2 (что означает, что Red=7 канал, Green = 4 канал, Blue = 2 канал). Из описания цветного композита этой комбинации каналов следует, что на полученных снимках: “здоровая растительность выглядит ярко зеленой, травянистые сообщества – светло-зелеными и зелеными, ярко розовые участки детектируют открытую почву, коричневые и оранжевые тона характерны для разреженной растительности, сухостойная растительность выглядит оранжевой, вода - голубой, сгоревшие территории - ярко красные, городская застройка отображается в оттенках розово-фиолетового ”
Визуальный анализ полученных композитов подтверждает выводы, полученные при анализе индекса NDVI в предыдущем примере (рис.18 и 19).
На снимке 1984 г. северо-западный и центральный участок территории окрашен в коричневые тона, что детектируется в данном композите, как разреженная растительность. На снимке 2003 г коричневые цвета практически исчезают, их место занимают светло-зеленые и насыщенные зеленные цвета. Светло-зеленые цвета занимают преимущественно территории, которые на снимке 1984 г окрашены в коричневый, что явно говорит о том, что в данном месте наблюдается положительная динамика восстановления растительного покрова.
В целом же для целей выявления типа растительности и его состояния этот метод не поддается такой точной интерпретации, как метод расчета индекса NDVI, однако он может выявлять существенную дополнительную информацию о территории, что делает его использование полезным.
Рис.20. Цветной композит в системе RGB из каналов 7,4,2 для снимков Landsat 5 (1984.08.09) и Landsat 7 (2003.02.27) для территории заповедника Alto-Montana, Бразилия