Дистанционное зондирование в защите здоровья леса
Дистанционное зондирование в защите здоровья леса
United States Department Of Agriculture
Forest Service United States Department Of Agriculture
Forest Service
Forest Health Technology Enterprise Team
FHTET Report No. 00-03, August 2000
Уильям М. Цисла, специалист защиты леса
Оригинал: http://www.fs.fed.us/foresthealth/technology/pdfs/RemoteSensingForestHealth00_03.pdf
Перевод выполняется с разрешения автора
Благодарности
Многие коллеги, друзья и единомышленники помогали в написании данного руководства, давая информацию, фотографии, идеи и поддержку. Эти люди связаны с Лесной службой USDA: Andy Mason, Jim Ellenwood, Richard J. Myhre (почивший), William B. White (почивший), и Sally Scrivner из Forest Health Technology Enterprise Team (FHTET), Fort Collins, Colorado; Tom Bobbe, Paul Greenfield and Jule Caylor, Remote Sensing Applications Center, Salt Lake City, Utah; Tim McConnell, Northern Region, Missoula, Montana; Dave Johnson, Rocky Mountain Region, Denver, Colorado; K. Andrew Knapp, Intermountain Region, Boise, Idaho; and William R. Frament, Northeastern Area, Durham, New Hampshire. А также, Ronald J. Billings, Texas Forest Service, Lufkin, Texas, Peter J. Murtha, University of British Columbia, Vancouver, Canada, Paul Maus and Paul Ishikawa, Red Castle Resources, Inc, Salt Lake City, Utah, and Ray D. Spencer, Bureau of Resource Sciences, Kingston ACT, Australia, предоставившие информацию и помощь в составлении данного руководства.
За критику от Лесной службы USDA хочется персонально поблагодарить Melvin J. Weiss, Forest Health Protection, Washington, D.C.; Charles W. Dull, National Remote Sensing Program Manager, Washington D.C.; Jim Ellenwood, FHTET, Fort Collins, Colorado, K. Andrew Knapp, Intermountain Region, Boise, Idaho, и W. R. Frament, Northeastern Area, Durham, New Hampshire. За стороннюю критику я благодарю Roger Hoffer, Colorado State University, Fort Collins, Colorado, and Peter J. Murtha, University of British Colombia, Vancouver, Canada. Final editing and formatting were done by Mark Riffe, INTECS International, окончательную корректуру Sally Scrivner, Лесная служба USDA, FHTET, и помощь в публикации Debbie Dickey, INTECS International.
Введение
Охрана здоровья лесных экосистем является важнейшей задачей управления лесными ресурсами. Эффективная программа защиты лесов зависит от различной информации: необходима информация о состоянии лесов в связи с их ростом, густотой древостоя, количеством горючего материала, составом и возрастом. Также необходима актуальная информация о вредителях, болезнях и других негативных факторах, отрицательно влияющих на продуктивность лесов, и об экологических, социальных и экономических последствий этих воздействий.
Эта информация используется для разработки альтернативных управленческих решений по улучшению санитарного состояния лесов и в прогнозировании оптимального решения и его выгод. Когда решение принято, требуется дополнительная информация для оценки как позитивных, так негативных последствий решения. Таким образом, лесопатологический мониторинг развития вредителей, болезней и других факторов, влияющих на здоровье леса, является ключевой частью защиты здоровья леса.
Собирая данные для защиты здоровья леса, необходимо учитывать ряд вопросов, в том числе:
- Каково состояние леса? Повреждающие факторы достигли уровня, негативно влияющего на задачи управления? Что это за факторы и каково их воздействие на лесопатологическое состояние?
- Каков масштаб? Возникшая проблема должна иметь пространственную локализацию: административные единицы (штаты, округа и районы), землепользователи и ландшафтные особенности, такие как растительность и рельеф (высота, склон и направление склона).
- Насколько серьезна проблема? Необходимы данные о площади и поврежденном древостое, может ли она охватить большую площадь.
- В чем первопричина проблемы? Вредители и болезни, наносящие огромный ущерб, часто являются следствием более глубокой лесопатологической проблемы. Таким образом, необходимо изучить участок и текущие условия, учитывая методы управления, климатические аномалии и других условия, которые могут способствовать распространению повреждающих факторов.
- Какова вероятность распространения проблемы? Текущие условия, такие как густота древостоя, возраст, состав насаждения или почвенные условия могут привести к ослаблению и быть благоприятным фактором для распространения в лесу различных вредителей. Для ряда лесных экосистем была разработана лесная система управления рисками, которая полезна для заблаговременного прогнозирования опасности, там, где своевременные меры борьбы могут предотвратить повреждение.
О понятии дистанционное зондирование
Дистанционное зондирование является сбором и интерпретацией данных, основанных на измерении электромагнитной энергии, отраженной или испускаемой измеряемыми объектами (это определение принято в RSAC). Другим аспектом дистанционного зондирования является то, что данные об объектах получаются на расстоянии, не касаясь объектов. Человеческий глаз, в сочетании с человеческим мозгом, является одним из видов систем дистанционного зондирования. Каждый раз, когда мы смотрим на что-то на расстоянии и пытаемся интерпретировать то, что мы видим, мы дистанционно зондируем. Повседневная деятельность в защите здоровья леса связана с лесным дистанционным зондированием, включающим аэрофотосъемку для выявления и отображения масштаба лесных повреждений, вызванных насекомыми и болезнями, а также интерпретацию аэрофотоснимков для выявления и классификации повреждений леса.
Хотя многие подходы к дистанционному зондированию все еще связаны с использованием человеческого глаза в качестве основного инструмента для получения информации, современные технологии создали множество инструментов сбора данных для решения широкого спектра вопросов и проблем, связанных с природными ресурсами. Они включают в себя целый ряд систем камер, сканеров и температурных датчиков. Эти системы могут быть наземными, бортовыми, или же быть спутниками на околоземной орбите. Развитие компьютерных технологий позволило получить системы анализа, хранения и отображения больших объемов информации, полученных от этих датчиков. Кроме того, имеются навигационные системы, которые позволяют определять расположение на поверхности Земли с высокой степенью точности, и геоинформационные системы (ГИС), которые обеспечивают хранение и отображение пространственной информации дистанционного зондирования.
Почему дистанционное зондирование нужно в защите здоровья леса?
Повреждения леса, вызванные вредителями, болезнями и другими факторами, часто весьма заметны с большого расстояния. Некоторые типы повреждений леса, такие как изменение цвета крон и усыхание, на самом деле более заметны, если смотреть с низколетящего самолета или на аэрофотоснимок, чем при осмотре в густом лесу. Следовательно, крупные повреждения леса поддаются оценке и измерению с помощью дистанционного зондирования. Мало того, дистанционное зондирование - проверенный и эффективный инструмент для сбора данных, он может производить сбор данных для огромных территорий, часто значительно отдаленных и труднодоступных лесных угодий, быстро и при гораздо меньших затратах, чем при наземных обследованиях.
Многие инструменты дистанционного зондирования необходимы для мониторинга здоровья леса, и лесопатологи широко используют эти инструменты на протяжении многих лет. Маршрутные облеты, например, стали неотъемлемой частью лесопатологической программы в Канаде и Соединенных Штатах с конца Второй мировой войны. Цветные и цветные инфракрасные (CIR) аэрофотоснимки также имеют широкий диапазон применения. Новые технологии, такие как воздушная видеосъемка, цифровое фотографирование и снимки со спутников на околоземной орбите были оценены как способные дать необходимую информацию.
Цели и содержание данной публикации
Это руководство разработано, чтобы служить всеобъемлющим справочником для лесных биологов (например, энтомологов, патологов и других специалистов, работающих в охране леса) при использовании дистанционного зондирования для получения информации о здоровье лесов и повреждений. Повреждающие факторы представлены вредителями, болезнями, токсичными химическими веществами и климатическими аномалиями. Здесь также представлено вызывающее повышенный интерес в последние годы обнаружение инвазивных растений в лесах, на пастбищах и полях и их последующее картографирование. Использование дистанционного зондирования для картирования и оценки лесных пожаров не представлено: это отдельная дисциплина с широким спектром специализированных методик, и она требует отдельного обстоятельного рассмотрения.
В последующих главах приводятся:
- описания сигнатур, представляющих интерес для специалистов по здоровью леса, которые можно увидеть на расстоянии;
- рассказывается о том, как классифицировать, провести статистическую обработку и оценить точность данных, полученных в результате дистанционного зондирования;
- описываются современные средства дистанционного зондирования, используемые для лесопатологического мониторинга, и связанные с ними технологии, такие как геоинформационные системы (ГИС) и средства навигации.
Кроме того, сюда включены примеры как успешного внедрения дистанционного зондирования в защиту здоровья леса, так и примеры, которые были менее успешны. В то время как упор делается на применения дистанционного зондирования в лесопатологии лесов умеренного климатического пояса Северной Америки (США и Канада), также в книге приводятся примеры для лесов из других частей света.
В конце книги размещены глоссарии используемых акронимов и аббревиатур, а также научные и обиходные названия растений, вредителей и патогенов из основного текста.
Некоторые основы дистанционного зондирования
В этой главе представлена часть основных понятий дистанционного зондирования и теоретические сведения, дающие читателю понимание технологии дистанционного зондирования. Кроме того, здесь кратко описаны две взаимосвязанные технологии: системы глобального позиционирования (GPS) и геоинформационные системы (ГИС).
Электромагнитный спектр
Мы видели в первой главе, что дистанционное зондирование является одним из средств сбора информации в различных диапазонах электромагнитного спектра (EMS). Солнце является источником большей части энергии, получаемой Землей; — эта энергия известна как электромагнитная энергия. Электромагнитная энергия движется волнами. Длина волны энергии — расстояние между гребнями волн, измеряется в микронах или микрометрах (μм). Электромагнитная энергия ведет себя по-разному в зависимости от длины волны.
Солнце излучает электромагнитную энергию в диапазоне от очень коротких длин волн, таких как рентгеновские лучи, до длинных волн, таких как теле- и радиоволны. EMS (рис. 2.1) представляет собой непрерывный поток электромагнитной энергии. Имена присваиваются определенным областям EMS в зависимости от их свойств. Например, диапазон EMS от 0,4 до 0,7 μм известен как видимый свет и представляет собой длины волн электромагнитной энергии, видимые человеческим глазом. Большинство фотопленок также чувствительны к этому диапазону EMS. За пределами диапазона видимого света находятся инфракрасный (ИК) диапазон. Коротковолновой ИК-свет нельзя увидеть человеческим глазом, но более длинные волны (тепловой ИК) ощущаются как тепло.
