Результати досліджень

Об’єкт та методика досліджень

Постановка проблеми

Методика оцінки стану лісів україни за даними дистанційного зондування землі із космосу

Лісами зайнято близько третини суші земного шару. Вони забезпечують збереження у зв’язаному стані значної частки світових запасів вуглецю та виступають як екологічний каркас збереження біорізноманіття екосистем, а також виконують багато інших біосферних функцій. Лісовий покрив є однією з найбільш важливих й динамічних компонент екосистем – так звані „легені планети”. Гірські ліси до того ж виконують важливі середовище утворюючі функції: водоохоронні, протиерозійні й ландшафтностабілізуючі. Ліси також є одним з найважливіших природних ресурсів, що містить запаси деревини й не деревинні цінності (кормові, мисливсько-промислові ресурси, плоди і ягоди дикоростучих рослин, лікарські рослини та ін.). Потреба здійснення регулярної оцінки стану лісів зумовлена їх безперервною динамікою через вплив природних й антропогенних чинників (пожежі, урагани, вирубки, техногенне забруднення та ін.) для інформаційного забезпечення прийняття управлінських рішень щодо раціональних способів лісокористування.

Об’єктом досліджень є процес оцінки стану лісів як динамічної екосистеми Землі за супутниковими багатоспектральними даними.

Предмет досліджень – геоінформаційна технологія обробки різномасштабних багато-спектральних цифрових космічних знімків для оцінки стану лісів у регіональних масштабах. Методологічною основою досліджень є спектрально-об’єктовий аналіз параметрів оптичного випромінювання ландшафту Землі на основі теорії електромагнітного випромінювання, декомпозиція інформаційного поля електромагнітного випромінювання на адитивні спектрально-об’єктові складові за матеріалами багатоспектральної космічної зйомки.

В основі існуючих методів використання супутникових зображень для виявлення змін у лісах, у тому числі у наслідок вирубок, лежать знання особливостей спектрального відбивання різними компонентами лісових екосистем, а також зв’язків між змінами їх спектрально-відбивальних властивостей. При цьому слід враховувати, що до відмінностей цих властивостей можуть приводити й інші, не зв’язані із змінами лісів фактори, такі як фенологічний стан рослинності, атмосферні умови, геометричні умови, освітлення й спостереження, рельєф місцевості та деякі інші особливості [3].

Детальніше розглядали фізичні основи й методику сумісної обробки наземних та оптичних космічних даних ДЗЗ із застосуванням ГІС-технологій.

У видимому й ближньому інфрачервоному діапазоні зосереджено 95 % енергії сонячної радіації, яка здійснює опромінення („підсвітку”) наземних природних й антропогенних компонент ландшафту, а потужність відбитого від них сонячного випромінювання вдень значно перевищує їх власне теплове випромінювання. Вдень наземні компоненти геосфери опромінюються прямим сонячним випромінюванням, яке ослаблюється атмосферою та об’ємно-розсіяним випромінюванням атмосфери. Сумарне відбите від елементарної ділянки наземної поверхні випромінювання та об’ємно-розсіяне випромінювання атмосфери, яке діє і в напрямку оптичного приладу, реєструється на борту космічного апарата й утворює результуючу яскравість піксела цифрового зображення. Друга складова разом із тепловим випромінюванням є завадою, яка погіршує відношення сигнал / шум в елементарному інформаційному каналі знімальної апаратури й спотворює зображення. Якщо атмосфера непрозора, то проводити космічну зйомку в оптичному діапазоні нема сенсу. Якщо атмосфера досить прозора, то друга (завадова) складова яскравості піксела невелика і її можна не враховувати. Природні й антропогенні об’єкти відбивають сонячну радіацію певним, характерним тільки для них, чином, тому вимірювання кількісних характеристик багатоспектрального електромагнітного поля випромінювання є основою їх дистанційного дослідження [2, 8].

Перша (інформаційна) складова яскравості піксела містить дані про

відбивальні характеристики об’єктів на елементарній ділянці земної поверхні. Яскравість піксела і-о рядка j-о стовпця цифрового зображення в l-у спектральному каналі від m-о типу відбивальної поверхні, що зняте в надир, спрощено описується такою математичною моделлю [8]:

де: βint l m – інтегральний коефіцієнт відбивання сонячного випромінювання m-о типу відбивальної покриву поверхні в l-у спектральному каналі;

КУМ l (θС, λ, НА) – коефіцієнт, що визначається умовами знімання (освітленість сцени зйомки, поглинання сонячного випромінювання атмосферою, спектральний діапазон, параметри апаратури знімання та ін.) для l-о спектрального каналу, який практично постійний для конкретного кадру зйомки,

де: Е0 (λ) – спектральна щільність потоку сонячного випромінювання на верхній межі атмосфери при нормальному падінні на її поверхню залежно від довжина хвилі λ;

Кθ с (λ, НА) – коефіцієнт пропускання атмосфери на довжині хвилі λ для кута місця Сонця θС ;

КА (НА) – коефіцієнт передачі атмосферою сонячного випромінювання, що відбивається від земної поверхні;

Ri j (λ) – спектрально-просторова характеристика іj-о елементарного інформаційного каналу приладу оптичної зйомки;

λН l , λВ l – нижня й верхня межа діапазону довжин хвиль l-о спектрального каналу приладу оптичної зйомки;

НА – товщина шару атмосфери між знімальним приладом й поверхнею, що знімається.

У рівнянні (2) параметри θС , λ, Е0 (λ), Кθ с (λ, НА), КА (НА), Ri j (λ) та НА для конкретного кадру зйомки практично незмінні й майже всі відомі. Тому яскравість окремих пікселів цифрового космічного знімку буде визначатись, в основному, значеннями спектрального коефіцієнта відбивання βint l m видимих поверхонь об’єктів в l-у спектральному каналі, що розташовані на елементарній ділянці земної поверхні.

Залежність усередненої спектральної відбивної здатності (сигнатури) основних класів природних об’єктів наведена в [1, 8]. Спектральне розподілення відбивальної здатності зелені лісових дерев деяких порід наведене на рис. 1 [6]. Перша мода відбивання – максимум відбитої енергії поблизу довжини хвилі 0,55 мкм, яка значно ослабляється у процесі взаємодії сонячного випромінювання з рослинністю. Друга мода відбивальної здатності зумовлена смугою поглинання хлорофілу поблизу довжини хвилі 0,65 мкм. Третя мода максимальних значень відбивальної здатності для довжин хвиль більше 0,7 мкм дає уяву про функціонування живої системи, так як відповідає зростанню відбивальної здатності рослинності при загальному зменшенні інтенсивності падаючого на неї сонячного випромінювання.

Оцінка абсолютного значення коефіцієнта відбивання підстильної поверхні за даними ДЗЗ проблематично, тому для дешифрування матеріалів космічної зйомки частіше застосовують відносні похідні ознаки на основі багатоспектральних даних. Найбільш інформативні для характеристики рослинності дані червоної та ближньої інфрачервоної зони спектра оптичного випромінювання. У червоній області спектру (довжина хвилі λ = 0,62–0,76 мкм) лежить максимум поглинання сонячної радіації хлорофілом, а в ближній інфрачервоній області (λ = 0,76–1,3 мкм) знаходиться область максимального відбивання

Рис. 1. Спектральне розподілення відбивальної здатності зелені лісових дерев

кліткових структур листя. Висока фотосинтезуюча активність рослин приводить до збільшення їх фітомаси. Кількість фітомаси на одиницю площі, що попадає у межі елемента розрізнення (піксела), залежить від щільності рослин та фенологічної фази їх розвитку. Із ростом фітомаси й щільності рослинності значення її яскравості зростають у ближній інфрачервоній зоні й зменшуються у червоній. Двомірний простір спектральних ознак яскравості пікселів рослинності у вказаних зонах утворює характерну область, яка за формою нагадує трикутник [1].

Нині дослідження стану рослинності найчастіше здійснюють за допомогою так званих карт нормалізованого диференційного вегетаційного індексу NDVI [англ. Normalized Difference Vegetation Index – нормалізований диференційний вегетаційний індекс]:

де: В_БІЧ – значення яскравості піксела у ближній інфрачервоній зоні спектру (λ = 0,76 …1,3 мкм);

ВЧ В – значення яскравості піксела у червоній зоні спектру (λ = 0,62 …0,76 мкм).

Значення нормалізованого диференційного вегетаційного індексу NDVI для цифрових знімків поверхні Землі змінюється у межах від –1 до +1, що зручніше для зберігання в комп’ютері та аналізу. Для зеленої рослинності NDVI > 0 й чим більше зелена фітомаса, тим ближче до +1 значення NDVI. На значення вегетаційних індексів впливає не тільки рівень фітомаси, а й вид рослинності, кут візування, колір ґрунтів та ін. Тому для знімків різних регіонів й умов зйомки необхідно розраховувати окремий нормалізований диференційний вегетаційний індекс NDVI.

Іншою відносною опосередкованою ознакою стану рослинності є нормалізований диференційний індекс вологовмісту NDWI [англ. Normalized Difference Water Index], який розраховується за формулою

де: ВСІЧ – значення яскравості піксела у середній інфрачервоній зоні спектру (λ = 1,3 …3,0 мкм).

Автоматичний попіксельний розрахунок індексів стану лісових насаджень можливий за багатоспектральними цифровими зображеннями космічних апаратів ДЗЗ “Landsat-7” (компанія Space Imaging) й “Spot-5” (компанія Spot Image), а в майбутньому – за даними очікуваного національного космічного апарату ДЗЗ “Січ-2”. Характеристики знімальної апаратури вказаних космічних апаратів наведені в табл. 1 [8].

Таблиця 1. Характеристики знімальної апаратури космічних апаратів ДЗЗ