СПОСОБ МОНИТОРИНГА НАДПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ИМПАКТНЫХ РАЙОНОВ АРКТИКИ
METHOD OF MONITORING ABOVE-GROUND COVER IN IMPACT ARCTIC REGIONS

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при контроле состояния территорий вечной мерзлоты в целях раннего обнаружения критических состояний.
Интенсификация хозяйственной деятельности в Арктической зоне делает актуальной задачу непрерывного мониторинга обширных территорий за Полярным кругом. Нарушение природного покрова тундры приводит к быстрому заболачиванию территорий и невозможности проведения должных рекреационных мероприятий в короткие сроки. Кроме того, на участках нарушения вечной мерзлоты наблюдается непрерывная эмиссия метана, законсервированного в вечной мерзлоте, что, в свою очередь, может привести к катастрофическим глобальным изменениям климата [см., например, K.М. Walter, S.A. Zimov, J.P. Chanton, D. Verbyla, F.S. Chapin III. Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming // Nature. 2006. V. 443. P. 71-75].
Известен метод мониторинга импактных зон путем отслеживания динамики изменения их размеров вдоль трансекты (км) на интервале нескольких лет по коэффициенту спектральной яркости космического изображения [см., например, «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве», Научный сборник статей, изд. МГУЛ, М., 1998 г., стр. 117] - аналог. Недостатком аналога является единственность измеряемого параметра и его малая чувствительность (информативность) к характеристикам отслеживаемого процесса.
Известен «Способ контроля лесопожарной опасности» путем дистанционного измерения влажности лесных горючих материалов, патент RU № 2147253, A01G, 23/00, 2000 г. - аналог. Способ-аналог включает регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в диапазоне, соответствующем максимуму теплового ИК-излучения подстилающей поверхности, калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, вычисление числовых характеристик и расчет результирующего показателя, отличающийся тем, что в качестве результирующего показателя используют непосредственно величину влажности W лесных горючих материалов, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы отсчетов зависимости амплитуды от координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на двумерных изображениях лесных массивов контролируемого региона при установленных пороговых значениях градиента, а величину влажности лесных горючих материалов внутри выделенных контуров рассчитывают по регрессионной зависимости
где  - поправочный коэффициент, учитывающий параметры тракта зондирования, географическую зону, тип лесов;
2
σ - мощность переменной составляющей сигнала участка изображения внутри контура, Вт;
2
L - мощность постоянной составляющей сигнала участка изображения внутри контура, Вт.
Недостатками способа-аналога являются:
- невозможность непосредственного использования из-за различия технических средств зондирования и технологии обработки сигналов;
- недостаточная достоверность результата из-за использования только одного диапазона зондирования и единственного измеряемого параметра.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ отслеживания границы зоны лес-тундра», Патент RU № 2531765, 2014 г., G01C, 11/02, A01G, 23/00 - аналог.
Способ-аналог включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащие тестовые участки, в диапазонах 0,55…0,68 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пикселя кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы тестового участка, выделение, программной обработкой, линии границы по пороговой величине, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- невозможность непосредственного использования из-за различия технических средств зондирования и технологии обработки сигналов;
- недостаточный контраст участков непосредственного нарушения природного покрова тундры;
- отсутствие контроля за динамикой изменения обнаруженных участков дигрессии на длительном временном лаге наблюдений.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в обеспечении достоверного обнаружения участков дигрессии и измерении динамики процессов путем комплексирования сигналов, получаемых в разнесенных по диапазону участках спектра отраженного светового потока и собственного восходящего излучения подстилающей поверхности.
Поставленная задача решается тем, что способ мониторинга надпочвенного покрова импактных районов Арктики включает получение синхронных изображений средствами, установленными на воздушно-космическом носителе, в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном участках отраженного светового потока и собственного восходящего излучения подстилающей поверхности в диапазоне 2…3 мкм с привязкой изображений по координатам системой позиционирования «ГЛОНАСС», формирование синтезированных матриц из попиксельных отношений изображений отраженного светового потока, выделение контуров импактных зон программным расчетом градиента функции яркости I(х,у) синтезированных матриц, вычисление фрактальных размеров (Ω) функций яркости, площади участков (S) и влажности (W) надпочвенного покрова по параметрам сигнала собственного восходящего излучения внутри выделенных контуров, отслеживание динамики деградации выявленных участков на длительном временном лаге наблюдений из соотношения:
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - зависимость коэффициента отражения от длины волны падающего светового потока;
фиг. 2 - зависимость мощности собственного восходящего излучения подстилающей поверхности от длины волны и радиояркостной температуры;
фиг. 3 - выделенные контуры участков дигрессии на карте Арктической зоны;
фиг. 4 - функции фрактального размера сигнала синтезированных матриц а) эталонного участка, б) участка дигрессии;
фиг. 5 - влажность надпочвенного покрова в функции параметров сигнала собственного восходящего излучения;
фиг. 6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.
Техническая сущность изобретения состоит в следующем.
Коэффициент отражения падающего светового потока подстилающей поверхности определяется соотношениями Френеля. Для зондирования в надир коэффициент отражения, в первом приближении, будет равен
;
где n - коэффициент преломления.
Коэффициент преломления n существенно зависит от длины волны λ светового потока и от увлажненности надпочвенного покрова [см. Л.С. Жданов, учебник по физике, физматгиз, М., 1978 г., «Абсолютные показатели преломления», табл. 32.3, стр. 386].
Зависимость коэффициента отражения светового потока от длины волны иллюстрируется графиками фиг. 1. В ультрафиолетовом диапазоне (К) существенно выше, чем в ближнем ИК диапазоне. Последнее позволяет обеспечить контраст между изображениями при формировании синтезированной матрицы путем попиксельных отношений изображения большей яркости (ультрафиолетового) к меньшей яркости (инфракрасного). Формирование синтезированной матрицы представляется стандартной операцией специализированного программного обеспечения [см., например, MATH CAD. 7.0 PLUS, ИЗДАНИЕ 3-е стереотипное, информационно-издательский дом «Филинъ», 1998 г., стр. 211, Векторизация элементов матрицы]. После этого осуществляют нормирование функции сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования.
Психологически восприятие образа объекта человеком-оператором происходит на уровне контуров. Последнее достигается путем выделения контуров (контурного рисунка) на изображениях, осуществляемого методами пространственного дифференцирования [см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перевод с англ., изд. Мир, М, 1976 г. «Пространственное дифференцирование», стр. 287-288]. Существует несколько стандартных операторов (Робертса, Лапласа, Собела), позволяющих вычислить контуры на двумерных изображениях. Выделение контуров на изображении с использованием масок различных операторов представляется стандартной математической операцией [см., например, П.А. Минько «Обработка графики Photoshop CS2», изд. Эксмо, 2007 г., стр. 47-56]. Результат выделения областей дигрессии надпочвенного покрова иллюстрируется на фиг. 3. После выделения контуров рассчитывают количественные значения показателей дигрессии по параметрам сигнала внутри них.
Наиболее емкой информационной характеристикой объекта является его форма. Количественной характеристикой формы служит фрактальная размерность функции сигнала изображения [см., например, Mandelbrot. B, Fractals, Forms, Chance and Dimensions, Freeman, San Francisco, 1977]. Расчет фрактальной размерности осуществляют методом осцилляций [см. Патент RU № 2422898, 2011 г.] по специализированной математической программе.
Текст программы вычисления фрактальной размерности изображений.
Результат программного расчета функций фрактальной размерности иллюстрируется графиками фиг. 4 а) эталонного участка, б) участка дигрессии. При изменении характеристик надпочвенного покрова фрактальная размерность (фиг. 4) изменяется в интервале от 0,33 до 0,81.
2
Следующим признаком дигрессии является увеличение влажности (заболачиваемости) участков по сравнению с ненарушенными, естественными участками тундры. Избыточная влажность надпочвенного покрова снижает кажущуюся температуру подстилающей поверхности и уровень сигнала собственного восходящего излучения. Плотность потока мощности r(λ, Т) (вт/м⋅мкм) электромагнитного излучения нагретых тел по закону Планка задается двухпараметрической зависимостью от длины волны (λ) и температуры (Т°K). График функции r(λ, Т) иллюстрируется фиг. 2 [см., например, Физический энциклопедический словарь, под ред. A.M. Прохорова, М., Сов. Энциклопедия, 1983 г., Планка закон излучения, с. 544, а также Дроздов В.А., Сухарев В.И. Термография в строительстве, М., Стройиздат, 1987 г., с. 13]. По закону Вина, максимум теплового излучения приходится на длину волны . Функция Вина на графике фиг. 2 изображена штрихпунктирной линией. Из представленного графика следует, что в области реальных значений температуры подстилающей поверхности порядка 300°K±20° максимальная частная производная  функции r(λ, Т) приходится на интервал значений λ∈(2…3) мкм. Данный интервал приема собственного восходящего излучения может быть реализован средствами AVHRR космической системы NOAA (США) либо отечественными средствами типа МСУ-СК. Расчет влажности осуществляют по регрессионной зависимости способа-аналога (Патент RU № 2147253, 2000 г.). Для чего вычисляют параметры сигнала внутри выделенных контуров:
2
2
1
1
σ - мощность переменной составляющей, (дисперсия) m - мощность постоянной составляющей (как квадрат математического ожидания сигнала m)
где а - поправочный коэффициент, учитывающий характеристики тракта зондирования (а≈1,2).
График регрессионной зависимости иллюстрируется на фиг. 5.
За показатель нарушенности естественного режима тундры отдельного участка принимают произведение расчетных параметров: площадь оконтуренного участка (S), фрактальную размерность сигнала синтезированного изображения (Ω), влажность надпочвенного покрова (W). Динамику (Д) процесса деградации участка определяют по соотношению измеренных показателей на интервале наблюдений в несколько лет
Пример реализации способа
i
2
2
2
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 6. Функциональная схема содержит авиационный носитель (1), типа самолетной лаборатории, созданной в рамках международной программы «Открытое небо», с установленными на нем цифровой видеокамерой (2) ультрафиолетового диапазона, типа «Фиалка МВ-Космос», спектрозональной камеры (3), типа MOMS-2P, Германия, ближнего инфракрасного диапазона (i), радиометра приема собственного восходящего излучения подстилающей поверхности (4) диапазона 2…3 мкм, типа МСУ-СК. Трассовую покадровую съемку запланированных районов осуществляют от бортового комплекса управления (БКУ) (5), на основе заложенных в БКУ программ включения бортовой аппаратуры. Результаты покадровой съемки районов записывают в бортовое запоминающее устройство (6) с одновременной привязкой изображений по координатам от аппаратуры потребителей (7), космической системы позиционирования «ГЛОНАСС». После посадки самолетного носителя массивы полученных измерений помещают на сервер хранения данных (8). Тематическую обработку изображений осуществляют в центре обработки (9), где через устройство ввода (10) информацию из сервера хранения передают в электронно-вычислительную машину (11) со стандартным набором периферийных устройств: процессор (12), оперативное запоминающее устройство (13), винчестер (14), дисплей (15), принтер (16), клавиатура (17), сервер Internet (18). Предварительно, в оперативное запоминающее устройство (13) записывают программы специализированного программного обеспечения MATH CAD. Затем, формируют кадры синтезированных матриц из попиксельных отношений ультрафиолетового и зонального ближнего ИК изображения. Выделяют, программной обработкой, контуры на поле синтезированных матриц, как это иллюстрируется фиг. 3. Рассчитывают параметры сигналов внутри выделенных контуров. Вычисляют геометрические площади S контуров и фрактальные размеры функции яркости. Диапазон изменений фрактальной размерности иллюстрируется графиками фиг. 4 а, б, значения ее находятся в интервале от 0,33 до 0,81. По параметрам сигнала собственного восходящего излучения подстилающей поверхности определяют влажность надпочвенного покрова внутри выделенных контуров. Рассчитывают математическое ожидание сигнала, m, как сумму амплитуд пикселей (∑A/N), деленную на количество пикселей в выделенном контуре. Физический смысл математического ожидания - это постоянная составляющая. Рассчитывают дисперсию сигнала σ, физический смысл которой - мощность переменной составляющей. Дисперсию, по определению, вычисляют как разность между суммой квадратов амплитуд пикселей, деленной на количество пикселей, и квадратом постоянной составляющей: . Влажность вычисляют по регрессионной зависимости, иллюстрируемой графиками фиг. 5. В Центре обработки создают базу (19) для накопленных результатов измерений за несколько лет. В частности, для значений параметров, иллюстрируемых графиками фиг. 3, 4, 5, получены количественные оценки деградации при следующих значениях составляющих: (S=8 км, Ω=0,4, W=0,2) - предшествующее измерение; (S=10 км, Q=0,5, W=0,3) - текущее измерение. Темп деградации:
Способ реализован на существующей технической базе. Эффективность способа характеризуется документальностью результатов в виде контурных карт с обнаруженными участками деградации, оперативностью и высокой чувствительностью к измеряемым параметрам.