Способ выявления стадии восстановления растительных покровов посредством анализа температурных аномалий на спутниковой съемке подстилающей поверхности в тепловом ИК диапазоне спектра
METHOD FOR REVEALING STAGE OF VEGETATION COVER RESTORATION BY ANALYZING TEMPERATURE ANOMALIES ON SATELLITE IMAGERY OF UNDERLYING SURFACE IN THERMAL IR RANGE OF SPECTRUM

Изобретение относится к экологии и дистанционному зондированию, а именно к способу выявления стадии восстановления растительных покровов на участках после природных, антропогенных или техногенных воздействий посредством анализа температурных аномалий подстилающей поверхности на основе данных спутниковой съемки в тепловом ИК диапазоне спектра в целях экологического контроля.
Наиболее известным и широко используемым в современной практике способом дистанционной оценки состояния и нарушенности растительных покровов, который выбран за прототип, является использование вегетационных (хлорофильных) индексов растительности, вычисляемых на основе спутниковых съемок [Rouse, J. W. Jr., R. H. Haas, J. A. Schell, and D. W. Deering. 1973. “Monitoring the Vernal Advancement and Retrogradation (Green Wave Effect) of Natural Vegetation.” Progress Reports RSC 1978-1 93 Texas A & M University. https://ntrs.nasa.gov/citations/19730009608]. Самым известным является инвариантный показатель Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) или «вегетационный индекс» – количественный показатель активности вегетирующей биомассы, который определяется из соотношения NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED), где NIR – отражение в ближайшей инфракрасной области спектра (рабочая длина волны λ = 0.620–0.670 мкм); RED – отражение в красной области спектра (рабочая длина волны λ = 0.841–0.876 мкм). Данный показатель нормирован в диапазоне значений 0.0–1.0, таким образом, для различных вариантов растительных покровов определены значения, характерные для здорового или угнетенного состояния, при этом в условиях нарушенности растительных покровов (напочвенного покрова и древостоя) под воздействием широкого спектра деструктивных факторов наблюдается значительное снижение показателя относительно среднестатистической нормы [Tucker C.J. (1979) Red and photographic infrared linear combinations monitoring vegetation // J. of Remote Sensing Environment, 8(2), 127-150. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0034425779900130].
Близкими характеристиками и чувствительностью к состоянию растительных покровов обладает ряд усовершенствованных вегетационных индексов, рассчитываемых по данным спутниковых съемок в указанных выше диапазонах спектра: усовершенствованный вегетационный индекс (The Enhanced Vegetation Index, EVI), инфракрасный вегетационный индекс (Infrared Percentage Vegetation Index, IPVI), разностный вегетационный индекс (Difference Vegetation Index, DVI) и др.
Недостатком существующего метода является то, что в результате даже частичного восстановления растительности, включая напочвенный покров, значения вегетационного индекса восстанавливаются до статистической нормы за 3–5 лет после воздействия деструктивных факторов. Дальнейший мониторинг состояния нарушенных участков спутниковыми методами, основанными на анализе вегетационных индексов, становится невозможным.
Все модифицированные методы на основе вегетационного индекса обладают тем же недостатком – ограниченное время работоспособности при использовании их в целях экологического контроля состояния и восстановительных процессов на участках после воздействия на растительные покровы широкого спектра деструктивных факторов.
Техническим результатом изобретения является количественная оценка температурных аномалий подстилающей поверхности, позволяющая в целях экологического контроля характеризовать стадию восстановительного процесса в растительных покровах (напочвенный покров и древостой) на участках, подвергшихся природным, антропогенным или техногенным воздействиям в сравнении с состоянием «фоновых» ненарушенных участков.
ΔT
=
T – T
T
T
Т
отн
фон
фон
фон
Технический результат достигается тем, что способ выявления стадии восстановления растительных покровов посредством анализа температурных аномалий на спутниковой съемке подстилающей поверхности в тепловом ИК диапазоне спектра, характеризуется тем, что по спутниковым данным, выполненным в любой срок в течение вегетационного периода (май–август), определяют усредненные значения температуры подстилающей поверхности локальных участков, после чего в пределах участков, подвергшихся деструктивному воздействию на растительность, вычисляют величину температурных аномалий («температурного фона») относительно значений температурного поля для того же срока съемки смежных ненарушенных участков по формуле: ()/, где  – температурное поле ненарушенных участков,  – температурное поле нарушенного участка,и по величине относительных температурных аномалий, проявляющихся в течение не менее 15–20 лет,  определяют стадии восстановления растительных покровов.
ΔT
отн
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что стадию восстановления растительных покровов на участке с нарушенностью после воздействия природных, антропогенных или техногенных факторов определяют посредством количественной оценки относительных (в сравнении с фоновыми значениями) температурных аномалий подстилающей поверхности летнего периода на основе анализа данных спутниковой съемки в тепловом ИК диапазоне спектра (диапазон λ ~10,0–13,0 мкм) и по величине относительных температурных аномалий () определяют стадию восстановления растительных покровов до фонового состояния в течение не менее 15–20 лет после деструктивного воздействия на растительность.
Изобретение поясняется чертежом:
ΔT
Б
ΔT
В
отн
отн
На чертеже представлен график изменения относительных значений температурных аномалий в процессе восстановления растительности нарушенного участка. А – значение , соответствующее начальной стадии восстановления непосредственно после воздействия деструктивного фактора;  – стадия успешного восстановления (не менее 10 лет восстановления) характеризуется снижением  ~20%;  – стадия восстановления до среднестатистических норм фоновых участков (не менее 15–20 лет восстановления).
ΔT
отн
Сущность изобретения заключается в том, что посредством выявления температурных аномалий («температурного фона») подстилающей поверхности на основе анализа данных спутниковой съемки в тепловом ИК диапазоне спектра (диапазон λ ~10,0–13,0 мкм) по величине относительных температурных аномалий () летнего периода (в сравнении для нарушенных и смежных ненарушенных участков) определяют стадию восстановления растительных покровов на участке с нарушениями растительности в целях экологического контроля за восстановительными процессами в течение не менее 15–20 лет после деструктивного воздействия на растительность.
Способ осуществляют следующим образом.
T
ΔT
=
T – T
T
ΔT
ΔT
ΔT
ΔT
фон
отн
фон
фон
отн
отн
отн
отн
Отбираются данные спутникового мониторинга, выполняемого в ИК диапазоне спектра (рабочий диапазон λ ~10,0–13,0 мкм), для определения усредненных значений температуры (по измерениям радиояркостной температуры) подстилающей поверхности в течение вегетационного периода на основе спутниковой съемки с пространственным разрешение не хуже 1000 м, выполняемой с периодичностью не реже 10 раз в месяц. Измерения проводят в течение вегетационного периода (май–август). Измерения проводят по спутниковым данным в нескольких точках, затем выполняют расчет усредненных значений температуры отдельно для нарушенных и ненарушенных участков. В пределах участков, подвергшихся деструктивному воздействию на растительность, вычисляют величину температурных аномалий («температурного фона») относительно значений температурного поля для того же срока съемки смежных ненарушенных участков (), как ()/. По величине относительных температурных аномалий () летнего периода определяется стадия восстановления: начальная стадия восстановления непосредственно после воздействия деструктивного фактора – при величине  ~40–60%; стадия не менее 10 лет успешного восстановления – при величине  ~20%; стадия восстановления до фонового состояния (не менее 15–20 лет восстановления) – при величине  <7%.
Использование предлагаемого способа выявления стадии восстановления растительных покровов на участках после природных, антропогенных или техногенных воздействий посредством анализа температурных аномалий подстилающей поверхности на основе данных спутниковой съемки в тепловом ИК диапазоне спектра в целях экологического контроля обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
– высокую оперативность получения данных на большие территории;
– снижение доли неопределенности и эмпиричности при оценках состояния растительности по дистанционным данным;
– способ информативен, а дешифровочные признаки, основанные на выявлении относительных (в сравнении с фоном) температурных аномалий подстилающей поверхности в тепловом ИК диапазоне спектра, не теряются в течение не менее 15 –20 лет после деструктивного воздействия на растительность;
– способ реализует возможность автоматического мониторинга за состоянием и динамикой нарушенных территорий для целей экологического контроля.