Мониторинг состояния растительного покрова на территории республики Марий Эл с использованием Envisat MERIS

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ENVISAT MERIS

О.Н. ВОРОБЬЕВ, доц. каф. лесоводства ПГТУ, канд. с.-х. наук,

Э.А. КУРБАНОВ, проф. каф. лесоводства ПГТУ, руководитель центра устойчивого управления и дистанционного мониторинга лесов, д-р с.-х. наук,

vorobievon@marstu.net, kurbanovea@volgatech.net

Спутниковый мониторинг растительного покрова является важным элементом современной дистанционной оценки состояния окружающей среды [2, 6]. Для проведения исследований в этой области используются современные программные средства и спутниковые снимки различного пространственного разрешения. В последние годы для мониторинга состояния растительного покрова широко используются данные спектрометра среднего разрешения MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer), расположенного на спутнике ENVISAT-1. Прибор MERIS обладает широкой зоной захвата территории и имеет высокую периодичностью съемки.

Содержание и концентрация хлорофилла в зеленых частях растений является одним из важных индикаторов, характеризующих состояния древостоя. Оценка состояния насаждения проводится по диапазону красной (инфракрасной) спектральной зоны поглощения хлорофилла [11]. При высокой концентрации хлорофилла в растительном покрове происходит смещение границы спектрального диапазона в сторону длинных волн, а при низкой концентрации спектральная яркость, отраженная от полога, больше характерна для коротковолновой зоны [8, 10]. Положение красной границы поглощения обычно определяется по значениям спектральной яркости в красном и ближнем инфракрасном каналах спутниковых изображений при помощи вегетационных индексов

[3, 9].

Целью работы является оценка и мониторинг состояния растительного покрова в зонах воздействия промышленных предприятий в республике Марий Эл по данным спектрометра MERIS. Для решения этой цели

были решены следующие задачи: 1) изучены разновременные спутниковые снимки ENVISAT; 2) построены полигональные слои и определены три индекса для лесного покрова на исследуемую территорию; 3) проведена оценка состояния лесов за 2002-2011 гг.

Для оценки состояния растительного покрова на территории РМЭ были использованы снимки MERIS - MER_RR_2P (Reduced Resolution Geophysical Product) с разрешением 1,2 x 1,2 км. Снимки группировались в композиты из 4-5 изображений на территорию исследования, полученные за каждый исследуемый вегетационный период. Изменения значений индексов для каждого года анализировались по линейным трендам. Для выявления динамики изменений состояния древесно-растительного покрова определялись средние значения индексов на основе «скользящего среднего». Всего на исследуемую территорию было отобрано 39 изображений (сцен) MERIS, полученных с мая по август 2002 - 2011 гг. В первую очередь отбирались снимки, на которых отсутствовала облачность. Оценка содержания хлорофилла в пологе лесных насаждений и мониторинг его пространственно-временного тренда проводился в программном пакете ENVI-5.0 на основе широко используемых вегетационных индексов и соотношений спектральных каналов:

- нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI;

- хлорофилльный индекс MTCI (MERIS Terrestrial Chlorophyll Index);

- индекс красной границы поглощения солнечной радиации (REP - red-edge position).

Оценка и мониторинг загрязнений включает три этапа.

42

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

Рис. 1. ГИС слои: полигональные - «лес» и «буферные зоны промышленных предприятий загрязнителей», точечный векторный «регулярная сеть 3x3 км» на территорию РМЭ

Рис. 2. Тематические карты пространственно-временного распределения значений индексов, позволяющие оценить динамику состояния растительного покрова на изучаемой территории

1) Приобретение спутниковых снимков MERIS и выделение из них 10 сцен для Республики Марий Эл, полученных с 2002 по 2011 гг.

2) Создание векторных слоев СЗЗ (санитарно-защитных зон) предприятий РМЭ и регулярной сети 3x3 и 10x10 км для оценки

состояния растительного покрова на основании используемых индексов.

3) Создание тематических растровых и векторных карт на основе индексов.

Для оценки значений индексов каждого полученного композитного изображения, на этапе 2 были созданы два полигональных

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

43

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

NDVI

Рис. 3. Временные тренды значений индексов NDVI и MTCI на территорию исследований с 2002 по 2011 гг.

слоя с размером ячеек 3x3 км и 1x1 км. Километровая сеть с размером ячейки 1x1 км, что фактически соответствует разрешению изображения MERIS, была использована для оценки индексов в пределах 1,3 и 5 км СЗЗ и буферных зон промышленных предприятий, построенных с учетом «розы ветров». Состояние лесного покрова на этих участках было изучено во время полевых исследований 2009-2012 гг. Для оценки динамики изменений состояния древесно-растительного покрова на основе полученных индексных карт использовалась сеть с размером ячейки 3x3 км (рис.1). Общее число тестовых участков в этом случае составило 1430 шт.

В работе использовались ранее созданные тематические карты растительного покрова на территорию РМЭ [4]. Оценка распределения плотности значений индексов вегетации на исследуемой территории для всего временного ряда снимков была проведена в программном пакете ArcGIS-10 с использованием модуля интерполяции данных IDW (Метод обратного взвешивания расстояний). Для получения однородной плотности индексов каждой из тематических карт всего временного тренда в программе ENVI-5.0 использовался модуль Reclassify (переклассификация). С целью проведения статистических расчетов все значения индексов вегетации для всех тестируемых участков полигона «лес» были сформированы в табличные данные с дальнейшей их обработкой в среде EXСEL.

REP

Рис. 4. Временные тренды значений индексов MTCI и REP на территорию исследований с 2002 по 2011 гг.

В результате проведенных исследований были получены тематические карты пространственно-временного распределения значений индексов, позволяющие оценить динамику состояния растительного покрова на изучаемой территории (рис. 2). Для мониторинга состояния растительного покрова РМЭ по уровню содержания хлорофилла в биомассе древостоя за 2002-2011 гг. был проведен детальный анализ верхнего полога древостоя вблизи предприятий-загрязнителей. В частности, подобные исследования были проведены в районе предприятия по производству силикатного кирпича. При этом оценивались значения вышеприведенных индексов в пределах границ СЗЗ и дополнительной буферной зоны, сформированной с целью получения более полной картины состояния древостоя вокруг предприятия [4]. Оценка состояния лесного полога проводилась по индексу MTCI, который является наиболее чувствительным к содержанию хлорофилла. Значения индекса определялись на территории закладки тестовых участков во время проведения полевых исследований. Полученные результаты сравнивались со значениями индекса по данным регулярных точечных сетей размерами 3x3 и 1 x1 км в пределах буферных зон промышленных предприятий.

Анализ полученных результатов свидетельствует об устойчивых показателях состояния растительного покрова на территории РМЭ в течение 2002 - 2011 гг. В целом за

44

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА

исследуемый период наблюдается небольшое снижение биомассы лесов в РМЭ, о чем свидетельствует тренд NDVI (рис. 2, 3). Тренд MTCI (хлорофилльный индекс) показывает относительно стабильные значения его содержания в лесном пологе. Исключение составляет снимок 2010 г., на котором видно его заметное снижение для всей территории РМЭ в связи с лесными пожарами. В 2010 г., по нашим оценкам, в Марий Эл сгорело порядка 100 тыс. га [1] лесов, что, конечно, не могло не сказаться на общей картине спектральных характеристик растительного полога. Динамика значений коэффициента REP также соответствует общему тренду состояния лесного покрова (рис. 4) и высоко коррелирует со значениями MTCI.

В целом полученные данные свидетельствуют о незначительном влиянии выбросов промышленных предприятий на лесные насаждения в Республике Марий Эл. В большей степени на динамику MTCI и NDVI оказывают лесные пожары и засухи, которые значительно снижают хлоро-филльный индекс и могут привести к дальнейшему усыханию и гибели насаждений. Общая картина динамики изменений растительного покрова на уровне республики не позволяет дать оценку влияния конкретных предприятий на прилегающие лесные насаждения. Для более точных оценок такого влияния рекомендуется использовать разновременной ряд мультиспектральных изображений высокого пространственного разрешения. Между тем, использование индексов MTCI, REP и NDVI показало их приемлемость для оценки хлорофилльного индекса и биомассы лесов.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. соглашение № 14.B37.21.1245 Министерства образования и науки Российской Федерации «Дистанционный мониторинг и прогнозирование состояния лесных насаждений по спутниковым снимкам» и тематического плана Министерства науки и образования РФ на 2012-2014 гг. «Оценка, мониторинг и прогнозирование

биологической продуктивности лесов по данным спутниковой съемки».

Библиографический список

1. Воробьев О.Н. Дистанционный мониторинг лесных гарей в Марийском Заволжье / О.Н. Воробьев,

Э.А. Курбанов, А.В. Губаев, С.А. Лежнин и др. // Вестник ПГТУ - № 1. - 2012. - С. 12-22.

2. Галкин Ю.С. Определение по космическим снимкам биометрических и продукционных характеристик растительности / Галкин Ю.С., Шалаев В.С., Батырев Ю.П., Потапов В.Н. и др. // Вестник МГУЛ

- Лесной вестник. - № 6. - 2009. - С. 20-24.

3. Корец М.А. Оценка состояния растительного покрова в зоне воздействия промышленных предприятий с использованием данных ENVISAT MERIS и SPOT Vegetation / М.А. Корец, В.А. Рыжкова, С.А. Барталев // Третья всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - М.: ИКИ РАН, 14-17 ноября 2005 г.

4. Курбанов Э.А. (а) Тематическое картирование и стратификация лесов Марийского Заволжья по спутниковым снимкам Landsat / Э.А. Курбанов,

О.Н. Воробьев, С.А. Незамаев, А.В. Губаев и др. // Вестник ПГТУ. - № 3. - 2013. - С. 72-82.

5. Курбанов Э.А. (б) Оценка загрязнений древостоя-ми отходами силикатного производства по снимку Rapid Eye / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьев, С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2013. - Т. 10 - № 2.- С. 88-97.

6. Лупян Е.А. Спутниковый сервис мониторинга состояния растительности («Вега»)/ Е.А. Лупян, И.Ю. Савин, С.А. Барталев, В.А. Толпин и др. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2011. - Т.8. - № 1. - С. 343-351.

7. Давыдов В.Ф. Дистанционное определение деградации почвенного покрова / В.Ф. Давыдов, Ю.П. Батырев // Вестник МГУЛ - Лесной вестник

- 2012. - № 9 (92). - С. 115-122.

8. Boyd D.S. Phenology of vegetation in Southern England from Envisat ERIS terrestrial chlorophyll index (MTCI) data / D.S. Boyd, S. Almond, J. Dash, PJ. Curran, R.S. Hill // International Journal of Remote Sensing. - 2011. № . 23. - vol. 32, p. 8421-8447.

9. Clevers J.G. Derivation of the red edge index using the MERIS standard band setting / J.G. Clevers, S.M. De Jong, G.F. Epema // International Journal of Remote Sensing. - 2002. № 16. vol. 23 - p. 3169-3184.

10. Curran PJ. Exploring the relationship between reflectance red edge and chlorophyll concentration in slash pine leaves / PJ. Curran, J.L. Dungan, H.L. Gholz // Tree Physiology. - 1990. № 1-4. vol. 7 - p. 33-48.

11. Dash. J. The MERIS terrestrial chlorophyll index / J. Dash., J. Curran // International Journal of Remote Sensing. - 2004. № 23. vol. 25 - p. 5403-5413.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013

45