Оценка влияния растительности и рельефа местности на оптические системы мониторинга

УДК 621

Н.А. Шергунова, А.В. Бритвин, Б.В. Поллер ИЛФ СО РАН, Новосибирск

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

N.A. Shergunova, A.V. Britvin, B.V. Poller Institute of Laser Physics, Novosibirsk

ESTIMATION OF THE INFLUENCE OF VEGETATION AND HYPSOGRAPHY ON THE OPTICAL SYSTEMS OF MONITORING

In the article the method of preliminary estimation and results of calculation of hypsography is rotined for the setting of optical sensors and optical telecommunication systems of the ecological monitoring.

Для контроля различных параметров окружающей среды необходимо распределение датчиков на местности. В зависимости от ситуации данные могут передаваться проводными (электрические, оптоволоконные кабели) или беспроводными (радиоканал, оптический канал) методами. Каждая система имеет свои плюсы и минусы. В зависимости от рельефа и растительности необходимо выбирать оптимальный тип передачи данных для конкретного случая. Рассмотрим оптическую связь. Возможно использование оптической связи с прямой видимостью, так и без прямой видимости [1]. Для выбора конфигурации системы, методов передачи данных необходимо предварительно оценить характер рельефа и растительности.

В качестве модельной зоны были взяты два участка размером 500 на 500 метров в районе с лесом на территории Академгородка, около поселка Ключи и Кольцово. На этих участках условно расположили равномерную сеть датчиков с шагом 90 метров. Далее были вычислены координаты каждого из датчиков. В таблице 1 представлены координаты для датчиков на участке около поселка Ключи. В таблице 2 представлены координаты датчиков на участке около поселка Кольцово. Условные обозначения: С - широта; E -долгота.

Далее была создана GRID модель рельефа на исследуемую территорию по данным SRTM v2 с помощью программного продукта Erdas.

SRTM (Shuttle radar topographic mission) - это радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (> 60), самых южных широт (> 54), а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000 года с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных. В результате миссии NASA по топографической съёмке общественности стали доступны карты высот с разрешением около 90х90 м сначала версии 1, а потом и SRTM v2.

Данные являются простым 16 битным растром (без заголовка), значение пиксела является высотой над уровнем моря в данной точке, пиксела также может принимать значение -32768, что соответствует значению no data (нет данных). Для избавления от no data использовались средства программного продукта Erdas.

На основе данных о рельефе была вычислена относительная высота для каждого из датчиков (таблица 3, 4).

Определение растительного покрова в точках расположения датчиков

В основном, по видовому составу, флора Новосибирской области ненамного отличается от флоры Средней Европы, хотя встречаются и некоторые чисто сибирские виды. Всего на территории области отмечено около 1 200 видов высших дикорастущих растений.

Таблица 1. Координаты датчиков на участке около поселка Ключи

Строка Столбец

1 2 3 4 5

1 54°51'31.64"N 83°15'6.99"E 54°51'29.74"N 83°15'10.81"E 54°51'27.84"N 83°15'14.63"E 54°51'25.94"N 83°15'18.45"E 54°51'24.04"N 83°15'22.27"E

2 54°51'29.45"N 83°15'3.66"E 54°51'27.55"N 83°15'7.48"E 54°51'25.65"N 83°15'11.30"E 54°51'23.75"N 83°15'15.12"E 54°51'21.85"N 83°15'18.94"E

3 54°51'27.26"N 83°15'0.33"E 54°51'25.36"N 83°15'4.15"E 54°51'23.46"N 83°15'7.97"E 54°51'21.56"N 83°15'11.79"E 54°51'19.66"N 83°15'15.61"E

4 54°51'25.07"N 83°14'57.00"E 54°51'23.17"N 83°15'00.82"E 54°51'21.27"N 83°15'4.64"E 54°51'19.37"N 83°15'8.46"E 54°51'17.47"N 83°15'12.28"E

5 54°51'22.88"N 83°14'53.67"E 54°51'20.98"N 83°14'57.49"E 54°51'19.08"N 83°15'1.31"E 54°51'17.17"N 83°15'5.13"E 54°51'15.28"N 83°15'8.95"E

Таблица 2. Координаты датчиков на участке около поселка Кольцово

Строка Столбец

1 2 3 4 5

1 54°53'57.11"N 83°11'6.42"E 54°53'55.21"N 83°11'10.24"E 54°53'53.31"N 83°11'14.06"E 54°53'51.41"N 83°11'17.88"E 54°53'49.51"N 83°11'21.70"E

2 54°53'54.92"N 83°11'3.09"E 54°53'53.02"N 83°11'6.91"E 54°53'51.12"N 83°11'10.73"E 54°53'49.22"N 83°11'14.55"E 54°53'47.32"N 83°11'18.35"E

3 54°53'52.73"N 83°10'59.76"E 54°53'50.83"N 83°11'3.58"E 54°53'48.93"N 83°11'7.40"E 54°53'47.03"N 83°11'11.22"E 54°53'45.13"N 83°11'15.04"E

4 54°53'50.54"N 83°10'56.43"E 54°53'48.64"N 83°11'0.43"E 54°53'46.74"N 83°11'4.07"E 54°53'44.84"N 83°11'7.89"E 54°53'42.94"N 83°11'11.71"E

5 54°53'48.35"N 83°10'53.10"E 54°53'46.45"N 83°10'56.92"E 54°53'44.55"N 83°11'0.74"E 54°53'42.65"N 83°11'4.56"E 54°53'40.75"N 83°11'8.38"E

Леса занимают около 20 % территории области. Наиболее распространенное дерево - береза, на втором месте сосна и осина. Встречаются также кедр, пихта, ель, рябина, боярышник и другие породы.

Растительный покров области неоднороден. Рассмотрим основные ботанико-географические зоны края: На самом севере расположена заболоченная темнохвойная тайга, состоящая из ели, пихты, кедра. Южнее в лесах начинают преобладать береза, сосна и осина. Наиболее распространен и наиболее типичен для Новосибирской области лесостепной ландшафт, где открытые пространства перемежаются с небольшими, округлой формы, островками березово-осинового леса, которые в Сибири называют колками. На юго-западе области, у границы с Казахстаном, начинается степная зона -Кулундинская степь.

В ландшафте области выделяется низкогорная тайга Салаирского кряжа. Состоит она в основном из пихты и осины. На влажных лесных полянах Салаира растет высокая, в рост человека, трава.

Характерны для нашего края ленточные сосновые боры, вытянутые вдоль реки Обь, в том числе и в окрестностях Новосибирска.

Кроме естественной растительности, обширные пространства области заняты полями, на которых выращиваются сельскохозяйственные культуры.

На основании данных о растительности Новосибирской области были выяснены средние размеры растительности исследуемых участков. Средняя высота березы - 18 м.

На основе данных спутниковой съемки, представленных в программном продукте Google Earth, был определен состав растительного покрова в точках условного расположения датчиков. В Google Earth многие мировые территории отображаются вплость до масштаба 1:2000, эти данные предоставлены компанией DigitalGlode и сделаны со спутника QuickBird-2, камерой BHRC-60, исходное разрешение этих снимков уменьшено до двух метров, что позволяет визуально оценить растительный покров на исследуемой территории.

Дисперсия высот, расположенных возле поселка Ключи, - S2 = 435,7, возле поселка Кольцово - S2 = 17,4. Полученные данные позволяют оценить характеристики трассы распространения УФ сигналов в данной зоне.

Анализ видимости/невидимости (viewshed analysis, visibility/unvisibility analysis) - одна из операций обработки цифровых моделей рельефа, обеспечивающая оценку поверхности с точки зрения видимости или невидимости отдельных ее частей путем выделения зон и построения карт видимости / невидимости (visibility map, viewshed map) с некоторой точки обзора (vista point, viewpoint, point of view) или множества точек, заданных их положением в пространстве (источников или приемников излучений).

Так как данные Google Earth недоступны для дальнейшей обработки, для получения базовой информации по пространственной организации растительности исследуемых участков использовался спектрозональный космический снимок со спутника Landsat 7, улучшенный с помощью панхроматического канала до пятнадцатиметрового разрешения. Обработка снимка осуществлялась с использованием стандартного метода классификации без обучения изображения ISODATA (unsupervis ed classification), предлагаемым прикладным пакетом Erdas. В результате

дешифрирования снимка и анализа спектральных характеристик растительности были идентифицированы объекты лес / не лес. Классифицированный снимок был переведен в GRID необходимый для дальнейшей обработки.

Используя калькулятор растров доступный в программном продукте ArcGis, на основе полученных ранее данных были созданы GRID-модели рельефа с учетом растительности на исследуемые участки (рисунок 1). Формула для калькулятора растров выглядит следующим образом: Con([rel] & [class] == 1, [rel] + 18, [rel] & [class] == 2, [rel]), где rel - GRID модель рельефа (рисунок 1), class - GRID с двумя классами лес/не лес, 18 - средняя высота березы.

Используя полученную GRID-модель рельефа с учетом растиельности и точечные шейп-файлы созданные на основе координат из табл. 1 и 2, средствами модуля ArcGis Spatial Analyst был проведен ViewShed анализ, который позволил определить зоны видимости для каждой точки (табл. 5).

Рис. 1. Участок около поселка Ключи. Grid-модель рельефа с учетом растительности и точки условного расположения датчиков

Таблица 3. Относительные высоты рельефа для датчиков / с учетом

растительности на участке около поселка Ключи

Строка Высота рельефа / с учетом растительности

Столбец

1 2 3 4 5

1 216 199 194 182 176

2 209/227 202/220 190 181 180

3 213/231 213/231 194 185 182

4 215/233 216/234 203/221 191/208 189

5 219 219/237 214/232 199/217 194

Таблица 4. Относительные высоты рельефа для датчиков / с учетом растительности на участке около поселка Кольцово

Высота рельефа / с учетом растительности

Строка Столбец

1 2 3 4 5

1 191 193 194 194 192

2 191 193 193 193 192

3 190 192 192 191 185

4 189 192 192 192 189/207

5 188 189 191 187 182/200

Очевидно, что при установке средств оптических сенсоров, приемо -передающих систем, ретрансляторов необходимо учитывать характеристики рельефа и растительности в месте установки датчиков. При фиксированном месте расположения датчиков целесообразно устанавливать при необходимости оптические передающие системы на расстоянии нескольких метров от него в точке, обеспечивающей лучшие условия видимости на ретранслятор.

Таблица 5. Датчики находящиеся в пределах прямой видимости: х - для датчиков около поселка Кольцово, у - для датчиков около поселка Ключи

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

1 у у у у у

2 у у у

3 у x/у у у у x

4 у у у x x

5 x x

6 у у у у у

7 у у

8 у x/у у

9 у у x у у x

10 x x x

11 у у у у у

12 у

13

14 у x/у у x

15 x у x/у у x

16 у

17 у у

18 у

19 у у у

20 x x x x x у x x у у у у у

21 у у у у у

22 у

23 у у

24

25

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бритвин А.В., Поллер Б.В., Щетинин Ю.И. Использование ультрафиолетового канала с рассеянием в беспроводных информационных системах и микросистемах // Сб. матер. III междунар. научн. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007» - Новосиб., 2007.- Т. 4, ч.1. - С. 174 - 180.

2. http://www.gis-lab.info/docs.html - информационный портал по ГИС тематике.

3. http://www.siatt.ru/russia/nso/index.php?print=Y - НСО Новосибирская область.

© Н.А. Шергунова, А.В. Бритвин, Б.В. Поллер, 2009