СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF STATE OF VEGETATIVE GROUND COVER BY MULTISPECTRAL AEROSPACE PROBING DATA

Изобретение относится к области исследования природных ресурсов Земли и может быть использовано для оценивания распространения борщевика Сосновского (Heracleum Sosnowskyi Manden) по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования.
В настоящее время существует проблема противодействия неконтролируемому распространению инвазионных сорняков, в частности борщевика Сосновского. По известным оценкам площади, занимаемые указанным растением в отдельных областях России, составляют тысячи гектар. При этом распространение борщевика Сосновского, опасного для жизни и здоровья, продолжается высокими темпами. Рассматриваемая проблема частично решается за счет реализации долгосрочных программ и планов мероприятий по борьбе с борщевиком Сосновского, принятых правительствами отдельных областей России. В свою очередь, для организации мероприятий по противодействию распространению и уничтожению борщевика Сосновского, а также для оценивания эффективности выполнения указанных мероприятий, необходимы полные и достоверные данные о пространственном распределении территорий его произрастания. Указанная проблемная ситуация обусловлена недостаточной полнотой определения параметров состояния почвенно-растительного покрова, при которой не обеспечивается определение территорий произрастания борщевика Сосновского.
Известен «Способ идентификации инвазий насаждений для оперативного выявления насаждений», поврежденных насекомыми-вредителями, и контроля экологического состояния лесов (патент РФ 2422898, МПК G06K 9/78, A01G 23/00, опубл. 27.06.2011 г.).
Указанный способ заключается в получении изображений лесных массивов в виде зависимости яркости I(х; у) от пространственных координат, разбиении изображений на мозаику участков, расчете функции фрактальной размерности изображений участков и сравнении их с эталоном. Для каждого участка изображения одновременно рассчитывают спектрограммы функции яркости I(λ) от длины волны, по которым отслеживают знак производной этой функции в интервале 550-670 нм, а изменение знака производной с минуса на плюс отождествляют с процессом дигрессии насаждения участка. На основании полученных результатов рассчитывают средневзвешенное значение длины волны спектрограммы и коэффициент фрактальной размерности изображений обнаруженных участков. Фаза поражения количественно определяется по полученной регрессионной зависимости, учитывающей средневзвешенную длину волны отраженного спектра эталонного (здорового) участка, фрактальную размерность изображения эталонного участка, средневзвешенную длину волны спектра анализируемого участка и фрактальную размерность изображения анализируемого участка.
Недостаток известного способа состоит том, что для обнаружения изменений растительности, поврежденной насекомыми-вредителями, используют данные об интенсивности отраженного солнечного излучения, зарегистрированные только в видимом диапазоне спектра, и не выполняется классификация растительности на отдельные виды.
Наиболее близким из числа технических решений (прототипом) является «Способ определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования» (патент РФ 2424540, МПК G01V 9/00, опубл. 20.07.2011 г.), заключающийся в приеме и регистрации на магнитном носителе цифровых данных аэрокосмического зондирования, в обработке этих данных путем проведения их географической привязки, учета геометрических, радиометрических и атмосферных искажений данных с последующим отображением обработанных данных в определенной проекции географической карты исследуемой местности, проведении преобразования данных с расчетом спектральной интенсивности уходящего излучения и проведении тематической обработки с выделением класса «растительность», причем при тематической обработке изображений для каждого пикселя изображения, относящегося к классу «растительность», определяют объем фитомассы, параметры состояния, характеризующие тепло-, влаго- и энергообмен между пологом растительного покрова и атмосферой, определяют биопродуктивность по классу «растительность». В частности, определяется объем фитомассы листьев, а для лесной растительности определяется породный состав (лиственные, хвойные, смешанные экосистемы), тип подстилающей поверхности (почва, трава, кустарники, болота и т.д.) и чистая первичная продукция.
Недостаток известного способа состоит в том, что при его реализации не обеспечивается определение территорий произрастания борщевика Сосновского среди местных дикорастущих и культивируемых видов растений. Указанный недостаток имеет место в силу отсутствия информативных оптических признаков борщевика Сосновского, обеспечивающих выполнение процедур по определению территорий его произрастания. Отсутствие возможности определения территорий произрастания борщевика Сосновского среди местных дикорастущих и культивируемых видов растений обуславливает снижение полноты определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования. Указанная проблемная ситуация особенно характерна при решении задачи определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования для Европейской части России, а также для территорий сопредельных государств (Белоруссия, Эстония, Латвия, Литва, Польша и др.).
Задача настоящего изобретения состоит в выделении подкласса «борщевик Сосновского» для класса «растительность» при тематической обработке данных многоспектрального аэрокосмического зондирования.
Техническим результатом является повышение полноты определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования за счет определения территорий произрастания борщевика Сосновского.
Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования, включающем прием и регистрацию на носителе информации данных аэрокосмического зондирования, обработку этих данных путем проведения их географической привязки, учет геометрических, радиометрических и атмосферных искажений данных с последующим отображением обработанных данных в определенной проекции географической карты исследуемой местности, далее производят преобразование данных, рассчитывая спектральную интенсивность уходящего излучения, производят тематическую обработку с выделением класса «растительность», в которой по информативным оптическим признакам борщевика Сосновского рассчитывают индекс борщевика Сосновского HSI (Heracleum Sosnowskyi Index) по формуле
NIR
GREEN
BLUE
I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в ближнем инфракрасном поддиапазоне спектра; I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в зеленом поддиапазоне спектра; I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в синем поддиапазоне спектра; выбирают пороговое значение индекса борщевика Сосновского из набора пороговых величин, рассчитанные данные индекса борщевика Сосновского подвергают процедуре пороговой обработки, по результатам которой формируют и отображают на технических средствах бинарную карту территорий произрастания борщевика Сосновского.
Предлагаемый способ устраняет недостатки прототипа за счет расчета индекса борщевика Сосновского, выбора порогового значения индекса борщевика Сосновского и применения к индексу борщевика Сосновского процедуры пороговой обработки.
Для выявления информативных оптических признаков борщевика Сосновского, обеспечивающих определение территорий его произрастания, проведены исследования. В качестве исходных данных в указанных исследованиях использовались данные полевых спектрорадиометрических измерений и данные многоспектрального аэрокосмического зондирования, зарегистрированные в различных фенологических фазах развития борщевика Сосновского и местных дикорастущих и культивируемых видов растений. Выявление устойчивых информативных оптических признаков борщевика Сосновского по данным полевых спектрорадиометрических измерений выполнялось путем анализа зависимостей коэффициента спектральной яркости от длины волны излучения, по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования - путем анализа значений яркости, зарегистрированных в стандартных спектральных каналах. При этом набор стандартных спектральных каналов включал пять каналов, соответствующих синему, зеленому, красному, крайнему красному и ближнему инфракрасному поддиапазонам спектра оптического излучения. Выявляемые информативные оптические признаки борщевика Сосновского обеспечивают определение территорий его произрастания среди местных дикорастущих и культивируемых видов растений.
Сущность способа поясняется чертежами,
где на фиг. 1 представлены результаты полевых измерений интенсивности отраженного солнечного электромагнитного излучения борщевика Сосновского и окружающей растительности в диапазоне 320-1100 нм с применением портативного спектрорадиометра Spectral Evolution PSR-1100, фенологическая фаза цветения борщевика Сосновского, Ленинградская область;
на фиг. 2 представлены результаты расчета относительных величин спектральной яркости отраженного солнечного электромагнитного излучения борщевика Сосновского и других ландшафтов по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования, зарегистрированных на борту системы космического зондирования RapidEye, фенологическая фаза цветения борщевика Сосновского, Ленинградская область;
на фиг. 3 представлены результаты обработки данных многоспектрального аэрокосмического зондирования, зарегистрированных на борту системы космического зондирования RapidEye (территория Ленинградской области, дата съемки 06.09.2013 г.): а) исходные данные многоспектрального аэрокосмического зондирования, б) бинарная карта территорий произрастания борщевика Сосновского.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Воздушные и/или орбитальные средства, оборудованные оптико-электронными бортовыми специальными комплексами, выполняют регистрацию данных многоспектрального аэрокосмического зондирования. В качестве оптико-электронных бортовых специальных комплексов применяют, например, многоспектральные сканирующие устройства [1, 2], обеспечивающие регистрацию данных многоспектрального аэрокосмического зондирования с требуемыми пространственными и спектральными параметрами.
Наземные средства системы аэрокосмического зондирования выполняют прием и регистрацию на носителе информации данных многоспектрального аэрокосмического зондирования. Над полученными данными многоспектрального аэрокосмического зондирования производят процедуры обработки, а именно проведение их географической привязки, учет геометрических, радиометрических и атмосферных искажений данных с последующим отображением обработанных данных в определенной проекции географической карты исследуемой местности. Далее производят преобразование данных, включающее расчет спектральной интенсивности уходящего излучения. По полученным результатам производят тематическую обработку с выделением класса «растительность».
При тематической обработке изображений для каждого пикселя изображения, относящегося к классу «растительность», по информативным оптическим признакам борщевика Сосновского для соответствующих данных многоспектрального аэрокосмического зондирования определяют индекс борщевика Сосновского по формуле
NIR
GREEN
BLUE
где I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в ближнем инфракрасном поддиапазоне спектра; I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в зеленом поддиапазоне спектра; I - значение яркости пикселя изображения, зарегистрированное в синем поддиапазоне спектра;
Полученные результаты определения индекса борщевика Сосновского для всех пикселей изображения, относящихся к классу «растительность», подвергают процедуре пороговой обработки. Пороговое значение индекса борщевика Сосновского выбирают из набора пороговых величин, полученных для различных систем многоспектрального аэрокосмического зондирования и для различных условий съемки. Пороговое значение индекса борщевика Сосновского для системы космического зондирования RapidEye равно 25 ед., что обеспечивает выделение класса «борщевик Сосновского». Пиксели изображения, для которых значение индекса борщевика Сосновского превышает пороговое значение, относят к классу «борщевик Сосновского».
По результатам пороговой обработки формируют бинарную карту территорий произрастания борщевика Сосновского, которая представляет собой бинарное растровое изображение с географической привязкой.
На чертежах (фиг. 1 и фиг. 2) представлены информативные оптические признаки борщевика Сосновского, полученные по данным полевого спектрорадиометра Spectral Evolution PSR-1100 и системы космического зондирования RapidEye. Анализ зависимостей коэффициента спектральной яркости от длины волны излучения, зарегистрированных в диапазоне 0,32-1,10 мкм с применением полевого спектрорадиометра Spectral Evolution PSR-1100, и данных многоспектрального аэрокосмического зондирования, зарегистрированных в пяти спектральных каналах в общем диапазоне 0,44-0,85 мкм с применением оптико-электронного бортового специального комплекса космического аппарата RapidEye, выявил информативные оптические признаки борщевика Сосновского в период цветения и плодоношения, отличающих его от местных дикорастущих и культивируемых видов растений, а именно:
- наличие максимума яркости, превосходящего значения яркости местных дикорастущих и культивируемых видов растений, в период цветения и плодоношения в ближнем инфракрасном поддипазоне, приблизительно соответствующего интервалу длин волн 0,76-0,88 мкм;
- ровная линия тренда в синем и зеленом диапазонах, приблизительно соответствующих интервалам длин волн 0,44-0,51 и 0,52-0,59 мкм соответственно, при более высоких средних значениях яркости в период цветения и плодоношения по сравнению с яркостью местных дикорастущих и культивируемых видов растений.
Биологические особенности борщевика Сосновского заключаются в высокой плотности произрастания растений, большой биомассе, периоде цветения, отличающемся от периода цветения местных дикорастущих и культивируемых видов растений сдвигом во временном периоде на июль и август. Борщевик Сосновского в силу своих биологических особенностей склонен к распространению на большие территории и зачастую единолично занимает целые поля [3, 4]. При рассмотрении данного растения в условиях, характерных для ведения аэрокосмической съемки, оно выглядит как белое (фаза цветения) или ярко-зеленое (фаза плодоношения) зонтичное соцветие, окруженное зелеными листьями.
На чертеже (фиг. 3) представлены примеры бинарных карт территорий произрастания борщевика Сосновского. Сформированная бинарная карта территорий произрастания борщевика Сосновского может использоваться при организации мероприятий по противодействию распространению и уничтожению этого вида инвазионных сорняков, а также для оценивания эффективности выполнения указанных мероприятий.
Реализация предложенного способа позволяет повысить полноту определения параметров состояния почвенно-растительного покрова по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования за счет определения территорий произрастания борщевика Сосновского, что обеспечивается учетом выявленных информативных оптических признаков борщевика Сосновского.
Источники информации
1. Пат. РФ 2308064, МПК G02B 26/10. Многоспектральное сканирующее устройство [Текст] / Григорьев А.Н., Шабаков Е.И.; заявитель и патентообладатель Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского (RU). - №2006108029/28; заявл. 14.03.2006; опубл. 10.10.2007, Бюл.№28.
2. Пат. РФ 2313111, МПК G01V 9/10. Многоспектральное сканирующее устройство [Текст] / Григорьев А.Н., Шабаков Е.И.; заявитель и патентообладатель Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского (RU). - №2006104779/09; заявл. 15.02.2006; опубл. 20.12.2007, Бюл. №35.
3. Богданов В.Л., Николаев Р.В., Шмелева И.В. Инвазия экологически опасного растения борщевика Сосновского (Heracleum Sosnowskyi Manden) на территории европейской части России // Региональная экология. 2011. №1-2 (31). С. 43-52.
4. Борщевик Сосновского: Российский сельскохозяйственный центр, URL: http://rosselhoscenter.com/stati-20 (дата обращения: 30.11.2016)