ТЕХНОЛОГИЯ РЕСУРСНОЙ ОЦЕНКИ ПАСТБИЩНЫХ УГОДИЙ СЕВЕРНОГО ОЛЕНЯ ПО СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫМ СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ
TECHNOLOGY OF RESOURCE ASSESSMENT OF RANGELANDS OF REINDEER ON MULTISPECTRAL SATELLITE DATA

Изобретение относится к области рационального природопользования, информационным технологиям, в частности к ресурсной оценке природных экосистем.
Известен «Способ картографирования земель» (Патент RU №2308679, опубл. 20.10.2007 г., приоритет от 08.09.2005 г.), в котором дешифрированием материалов аэро- и космосъемки определяют ареалы почвенных разностей, сканируют снимки земель и их топографическую основу, совмещают полученные отображения на экране компьютера, объектизируют, генерализуют, векторизуют границы земель с разными почвенными и геоморфологическими признаками, границы почвенных разностей уточняют наложением аэроснимков почвы на аэроснимки растительности, места несовпадения границ уточняют полевыми почвенными работами, разделяют земли на зоны по видам их оптимального использования, при необходимости убирают ненужные зафиксированные съемкой объекты и детали, фиксируют полученное отображение в электронном носителе. Распечатывают на бумажном носителе в требуемом виде и масштабе.
Указанный способ не позволяет производить мониторинг и инвентаризацию пастбищных угодий оленеводческих хозяйств, а также оценить запас лишайниковых и др. видов кормов.
Известен «Способ оценки распределения и запасов ресурсных и редких видов растений в пределах крупных территориальных массивов» (Патент RU №2443977, опубл. 27.02.2012 г., приоритет от 06.08.2010 г.), включающий проведение маршрутных полевых наблюдений с использованием GPS/ ГЛОНАСС навигационных приемников для фиксации участков произрастания исследуемых популяций растений, подбор и обработку материалов спутниковой съемки, выявление связи между спектральными характеристиками фиксированных участков и результатами полевых измерений, моделирование распределения и запасов с последующей проверкой полученных результатов и оценкой запасов ресурсных и редких видов растений.
Недостатком указанного способа является выполнение анализа характеристик фитоценозов только по конкретным показателям, полученным для отдельных видов ресурсных растений.
Известны технические условия по геоботаническому обследованию оленьих пастбищ (Министерство сельского хозяйства РСФСР. М.: Росземпроект, 1985. С.136.), которые включают три этапа: подготовительные работы, в процессе которых осуществляют подборку и изучение материалов геоботанического, зоотехнического, землеустроительного обследования прошлых лет, организацию использования оленьих пастбищ, а также планово-картографический материал; полевые работы (наземное обследование, аэровизуальное обследование); камеральные работы (обработка материалов и данных проведенных наземных, аэровизуальных исследований, затем обобщение материалов полученных после обработки сведений, в ходе которых определяется емкость оленьих пастбищ, уточняются данные предшествующих расчетов, вычисляется оленеемкость).
Упомянутые работы, описанные в технических условиях, являются затратными, значительно трудоемкими, полученные в ходе выполнения работ результаты, субъективны и требуют экспертных знаний.
Задача изобретения - разработка новой технологии, позволяющей выполнять оперативную инвентаризацию ресурсов пастбищных угодий северного оленя; составлять с учетом климатических особенностей проекты землепользования оленеводческих хозяйств; осуществлять подготовку на картографической основе справочных материалов для последующего проведения расчета ущерба запасам растительных ресурсов на участках, расположенных в зоне влияния промышленных объектов.
Технология ресурсной оценки пастбищных угодий северного оленя по спектрозональным спутниковым данным позволяет:
а) выполнять оперативную работу по инвентаризации пастбищных угодий оленеводческих хозяйств с использованием автоматизированных средств, оценивать состояние растительных ресурсов и их количественные характеристики;
б) выполнять тематическое картирование растительного покрова отдельных оленеводческих хозяйств;
в) оценивать запас лишайниковых и зеленых (травяные, кустарниковые) кормов в годы, различающиеся по климатическим и погодным условиям;
г) интегрировать полученные материалы в тематические базы данных;
д) минимизировать ошибку, связанную с влиянием флуктуации погодных и климатических параметров различных лет, и исключить ошибку, связанную с визуальным дешифрированием, выполняемым при аэросъемке;
е) снизить в 10-15 раз затраты за счет устранения значительной части времени аэровизуального обследования;
ж) полученные материалы активно интегрируются в ГИС-системы для дальнейшего использования;
з) проводить оперативную оценку ущерба растительным ресурсам на участках, расположенных в зоне влияния промышленных объектов (производственные участки нефтяного и газового комплекса, добычи угля и минеральных ресурсов, транспортные и трубопроводные системы).
В этом состоит технический результат.
Технический результат достигается тем, что технология ресурсной оценки пастбищных угодий северного оленя по спектрозональным спутниковым данным согласно изобретению включает:
- предварительное геоботаническое картирование с построением карт запаса отдельных групп растительных кормов оленеводческих хозяйств на основании спектрозональных спутниковых изображений, полученных из открытых источников, сбор и анализ архивных космических снимков для выявления климатогенных и погодных влияний на растительный покров в рассматриваемые годы или серии лет;
- выполнение полевого исследования территории на модельных участках, выделенных в процессе предварительного геоботанического картирования, включающее работы по классификации растительного покрова, путем описания флоры и доминирующих классов растительности, их границ в условиях градиента экологических условий, почвенных выделов в пределах естественных и нарушенных сообществ пастбищных угодий исследуемой территории и оценки точности выполненной классификации, путем сопоставления с материалами полевого исследования, аэровизуального дешифрирования ландшафтных единиц и геоботанических границ в ходе вертолетных маршрутов с выявлением нарушенных площадей и сукцессионно изменяющихся фитоценозов;
- создание единой топографической основы по планово-картографическим материалам необходимого масштаба, архивным данным и результатам, полученным от геоботанического картирования и полевого исследования, в виде отдельных векторных слоев и растровых карт с учетом гидрографической сети, изолиний рельефа, высоты (цифровой модели рельефа), производственных объектов и инфраструктуры, с последующим интегрированием материалов в единую геоинформационную систему и выделением полигональной структуры хозяйственно-геоботанических контуров пастбищных угодий оленеводческих хозяйств;
- выполнение итоговой поэтапной классификации растительного покрова в программных пакетах растровой обработки спутниковых изображений и геоботаническое картирование территории пастбищных угодий оленеводческих хозяйств с последующей оценкой матрицы сходимости данных между выделенными классами растительного покрова по материалам спутниковых изображений и данными полевого исследования. При этом получают уточненные геоботанические карты с оцененным уровнем сходимости;
- осуществление расчета проективного покрытия выделенных растительных сообществ в пределах отдельных хозяйственно-геоботанических контуров пастбищных угодий оленеводческих хозяйств;
- выполнение оценки количественных характеристик запаса кормовых единиц, выбранных из ряда: лишайниковые и зеленые кустарниковые корма, зеленые травяные корма, с привлечением метода декомпозиции спектральных смесей, исходя из того, что доля кормовой единицы принимается пропорционально их площади в проекции на земную поверхность, при этом оценку долей отдельных кормовых единиц, выбранных из ряда, проводили в соответствии с формулой
<mrow><mi>D</mi><msub><mi>N</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo></mrow></mstyle><mi>D</mi><msub><mi>N</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
учитывая ряд ограничений:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>=</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><msub><mi>E</mi><mi>i</mi></msub><mo>≤</mo><mn>1</mn></mrow>
c
i
ic
с
где DN- числовое выражение значения пиксела в канале с, F - доля i-го эталона в смеси, DN - числовое выражение значений i-го эталона в смеси в канале с, n - количество эталонов, Е- ошибка оценки для канала с;
- создание пространственно-организованной базы данных, включающей в себя полигональные структуры хозяйственно-геоботанических контуров пастбищных угодий оленеводческих хозяйств и связанные с ними через персональный идентификатор атрибутивные данные о площади отдельных классов растительности внутри выделов оленеводческих хозяйств, водных поверхностей, открытых грунтов и нарушенных участков, среднем запасе кормовых единиц выделов оленеводческих хозяйств;
- создание хозяйственных карт запаса кормовых единиц оленеводческих хозяйств и формирование проекта обустройства пастбищных угодий оленеводческих хозяйств.
Изобретение поясняется следующими рисунками:
- на рис.1 представлены  локализация модельных участков и выполненных аэровизуальных маршрутов и участков полевых исследований в пределах отдельных оленеводческих хозяйств, в частности: ОАО «Абезь», ООО «Агрокомплекс «Инта Приполярная», ОАО «Петруньское». Сверху вниз: 1 - Мыс Вылкин Нос, побережье Карского моря, 2 - долина р.Сибирчатаяха, в 2,7 км выше устья реки Сесыяю, 3 - берег оз. Тадебяямботы в месте выхода ручья Тадебяямбатывис, 4 - устье р. Фома-Ю, 5 - урочища Ручьюнюр в окр реки Бол. Роговая;
- на рис.2 - подготовленная карта растительности участка пастбищных угодий ОАО «Абезь» с выделением контуров хозяйственных выделов;
- на рис.3 - показано отношение характеристик проективного покрытия лишайникового покрова (А) и сомкнутости крон древесного яруса (Б), выполненных по спутниковым (подготовленная модель), аэровизуальным и полевым измерениям;
- на рис.4 - пример подготовленной карты запаса кормовых единиц и связанных с ней атрибутивных данные;
- на рис.5  представлена схема выполнения этапов работ.
Разработанная технология включает следующие этапы работ:
Этап I. Подбор доступных картографических материалов и предварительное тематическое картирование ландшафтных единиц и доминирующих классов растительного покрова исследуемой территории на основании спектрозональных спутниковых изображений. Наиболее часто для выполнения работ используются снимки высокого и сверхвысокого разрешения Landsat и QuickBird, полученные из открытых источников. Сбор архивных данных, опубликованных научных отчетов на территорию выполняемых работ. Для выявления климатогенных и погодных влияний на растительный покров рассматриваемого года или серии лет выполнение анализа метеорологических характеристик вегетационного периода. В ходе работы устанавливаются пары или серии изображений для последующих сравнений со сходными и различающимися характеристиками, определяемыми погодными условиями.
Этап II. Выполнение полевых исследований территории на модельных участках, подобранных по предварительной классификации. Полевые наблюдения включают описания флоры и доминирующих классов растительности, почв в пределах естественных и нарушенных сообществ пастбищных угодий исследуемого хозяйства, аэровизуальное дешифрирование ландшафтных единиц и геоботанических границ в ходе вертолетных маршрутов с акцентом на выявление нарушенных площадей и сукцессионно изменяющихся фитоценозов (Рис.1).
Этап III. Создание единой картографической основы требуемого масштаба (гидрографическая сеть, производственные объекты и инфраструктура, изолинии рельефа). Подготовка полигональной структуры контуров хозяйственных выделов.
Этап IV. Выполнение управляемой поэтапной классификации растительного покрова в программных пакетах ENVI, Erdaslmagine. В качестве источника данных выступают материалы спутниковых изображений оптического диапазона электромагнитного спектра (наиболее часто данные съемки Landsat), позиционированные полевые геоботанические описания, данные аэровизуальных вертолетных наблюдений. В ходе этапа выполняется тематическое геоботаническое картирование доминирующих контуров растительного покрова территории в масштабе до 1: 50 000 (Рис.2).
Качество подготовленных геоботанических карт оценивается на основании подготовленной матрицы сходимости между выделенными классами растительного покрова по материалам спутниковых съемок и данными полевых наблюдений. Полученные уточненные материалы используются для расчета проективного покрытия выделенных растительных сообществ в пределах отдельных хозяйственных контуров с использованием операции «Summary» в программном пакете Erdaslmagine.
Этап V. Оценка количественных характеристик запаса отдельных кормовых единиц (лишайниковые и зеленые (кустарниковые, травяные) корма). При обработке изображений используются принципы декомпозиции спектральных смесей (метод SMA, Spectral Mixed Analysis) исходя из положения, что доля компонент при этом принимается пропорционально их площади в проекции на земную поверхность. Это позволяет количественно оценить вклад отдельных компонент в отражательную способность элементов изображения. В качестве «чистых компонент» использовали параметры, полученные для открытых пологих участков. В настоящее время эффективность использования методов SMA-анализа в анализе состава кормовых ресурсов оленьих пастбищ подтверждена исследователями Скандинавии [Gilichinsky М., Sandström P., Reese Н., Kivinen S., Moen J., Nilson М. Application of national inventory for remote sensing classification of ground lichen in North Sweden // ISPRS Arcive Vol.XXXVIII, Part 4-8-2-W9, «Core Spatial Databases - Updating, Maintenance ans Services - from Theory to Practice)), Haifa, Israel, 2010. Pp.146-152.], Канады [Theau J., Peddle D.R., Duguay C.R. Mapping lichen in a caribou habitat of Northern Quebec, Canada, using an enhancement-classification method and spectral mixture analysis // Remote Sensing of Enviroment. Vol.94. 2005. Рр.232-243]. Оценку долей отдельных компонент (для линейного смешивания спектров) проводили в соответствии выражения
<mrow><mi>D</mi><msub><mi>N</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub><mo>*</mo></mrow></mstyle><mi>D</mi><msub><mi>N</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>c</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>E</mi><mi>c</mi></msub></mrow>
учитывая ряд ограничений
<mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>F</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>=</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>0</mn><mo>≤</mo><msub><mi>E</mi><mi>i</mi></msub><mo>≤</mo><mn>1</mn></mrow>
c
i
ic
с
где DN- числовое выражение значения пиксела в канале с, F - доля i-го эталона в смеси, DN - числовое выражение значений i-го эталона в смеси в канале с, n - количество эталонов, Е- ошибка оценки для канала с;
Оценка полученных материалов с данными полевых и аэровизуальных наблюдений для исследуемых оленеводческих хозяйств показана на рис.3.
Этап VI. Подготовка пространственно-организованной базы данных, включающей в себя полигональные объекты (векторные слои хозяйственных выделов) и связанные с ними через персональный идентификатор атрибутивные данные по площади контуров хозяйственных выделов, представленность и площадь отдельных классов растительности и земной поверхности, средний запас кормовых единиц (Рис.4).
Этап VII. Создание хозяйственных карт запаса кормов по выделам. Использование полученных материалов в качестве источника данных для перевода в хозяйственные единицы (оленеемкость, количество дней на выделе и т.д.) через ранее установленные и регионально адаптированные коэффициенты [Темноев Н.И. Геоботанические обследования на севере Якутии в связи с землеустройством оленьих пастбищ // Ботан. журн. 1961. Т.46, №10. С.1497 - 1503], подготовка проекта обустройства пастбищных угодий.
Таким образом, технология ресурсной оценки пастбищных угодий северного оленя по спектрозональным спутниковым данным представляет собой систему последовательных операций, направленных на сбор, обобщение, анализ и построение информационного продукта, составленного тематическими картами и атрибутивными базами данных. Технология апробирована в ходе выполнения исследований в рамках работы «Наземное геоботаническое обследование земельных участков, арендуемых ОАО «Абезь», ООО «Агрокомплекс «Инта Приполярная», ОАО «Петруньское» для целей северного оленеводства». Представленная технология получила высокую оценку Министерства сельского хозяйства Республики Коми и рекомендована к внедрению.