Разработка и исследование методики использования индексных для мониторинга лесов

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Мунзер Нур
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………

ГЛАВА 1 Современное состояние мониторинга лесов по разновременным
космическим изображениям……………………………………………………

1.1. Задачи мониторинга лесов (учёт и инвентаризация, оценка качественного
состояния) …………………………………………………………………
1.2. Съёмочные системы, используемые для мониторинга………………
1.3. Обзор методов обработки и оценки состояния и динамики лесов по
многоспектральным спутниковым данным……………………………… 26

Выводы по первой главе…………………………………………………………

ГЛАВА 2 Теоретические основы мониторинга лесов на основе
использования индексных изображений

2.1. Физические основы дистанционного мониторинга лесов………………..48

2.1.1 Спектральная отражательная способность лесных насаждений…51

2.2. Применения вегетационных индексов для мониторинга лесов……… 56

2.2.1. Обоснование использования вегетационных индексов………
2.2.2 Выбор оптимальных вегетационных индексов для мониторинга
лесов………………………………………………………………………

2.3. Предварительная обработка изображений……………………………
2.4. Роль атмосферы при проведении аэро- и космических съемок………
2.5. Анализ результатов выявленных изменений природных объектов…
2.6. Исследование погрешностей совмещения разновременных изображений при
мониторинге изменений линейных и площадных объектов…………

Выводы по второй главе ………………………………………………………… 88
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования возможности использования
космических снимков для оценки состояния лесов………………………

3.1. Исследование изменений состояния лесного покрова по разновременным
изображениям нормализованного разностного вегетационного индекса
(NDVI) …………………………………………………………………….89
3.1.1. Получение разновременных изображений со спутников Landsat
и таксационных карт………………………………………
3.1.2. Исследование факторов виляющих на значения вегетационных
индексов………………………………………………………92
3.1.3. Влияние наличия облаков на снимках……………………
3.2. Исследование динамики NDVI разных пород деревьев……………
3.3. Исследование динамики EVI разных пород деревьев………………..101
3.4. Исследование изменения NDWI различных пород деревьев………
3.5. Сравнение вегетационных индексов для выявления на космических снимках
пород деревьев……………………………………………………………
3.6. Анализ результатов распознавания породного состава леса на основе
спектральной отражательной способности …………………………….110
Вывод по 3 главе ……………………………………………………………..118

Глава 4 Оценка достоверности использованных методов для
распознавания типов лесов

4.1. Оценка достоверности разных методов для выделения хвойных и лиственных
пород……………………………………………………………………………

4.2. Оценка точности полученных результатов при распознавании разных
древесных пород на территории исследовании, с использованием разных
методов…………………………………………………………………………

4.3. Синтезирование разносезонных мультиспектральных и индексных
изображений……………………………………………………………… 125
4.3.1. Синтезирование разносезонных индексных изображений,
полученных используя разные вегетационные индексы…125
4.3.2. Синтезирование разносезонных разноиндексных
изображений……………………………………………
4.3.3. Синтезирование разносезонных изображений………
4.3.4. Синтезирование разносезонных изображений для разделения
хвойных и лиственных пород…………………………
4.4. Обновление карты леса Лосиного острова………………………… 129

Выводы по 4 главе………………………………………………………..135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………..140

Во введении обосновывается актуальность темы работе, определяется
цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна, теоретическая и практическая ценность работы.
Первая глава «Современное состояние мониторинга лесов по разновременным космическим изображениям» посвящена задаче мониторинга лесов и оценке их состояния с использованием данных дистанционного зондирования.
Для мониторинга динамики растительного покрова в конце прошлого столетия начали достаточно широко применяться методы дистанционного зондирования Земли из космоса. Методы дистанционного зондирования предоставляют отличную возможность для анализа процессов, происходящих в лесах на региональном и глобальном уровне. Технологии дистанционного зондирования позволяют контролировать и постоянно выполнять мониторинг состояния лесов.
Выполненный обзор исследований применения космических снимков для мониторинга природных и антропогенных образований показывает, что для эффективного применения данных необходима оптимизация следующих условий:
: – выбор наиболее информативных спектральных каналов используемых космических снимков:
-их пространственное и временное разрешение;
– минимизация влияния внешних факторов;
– выбор инструментария, повышающего достоверность распознавания.
В разделе подробно приведены характеристики различных космических спутников используемых для мониторинга объектов недвижимости, в том
числе лесов.
Анализ выполненных исследований применения разновременных
(разносезонных) космических снимков, полученных в различных спектральных зонах, позволяет утверждать, что повышение достоверности распознавания лесных насаждений и древесных пород предполагает продолжения подобных теоретических и экспериментальных исследований. Обоснование возможности применения вегетационных индексов и создаваемых индексных изображений для мониторинга лесов требует оптимизации методики получения сведений о качественных и пространственных характеристиках различных пород древесной растительности. Данная тематика исследований является целью диссертационной работы.
Во второй главе «Научные основы мониторинга лесов на основе использования индексных изображений» представлено описание особенностей спектрально отражательных характеристик природных объектов, в том числе растительного покрова. Анализ спектральных отражательных характеристик различных пород деревьев позволяет получить необходимые данные для повышения информативности космических снимков и их последующего дешифрирования.
Спектральная отражательная способность лесных насаждений различается и изменяется в значительных пределах. Это объясняется влиянием многообразия природных факторов (сезон, фаза вегетации, угнетённость и т.п.) на их физиологическое состояние.
Красный, ближний инфракрасный и средний инфракрасный каналы (спектральные зоны) являются наиболее информативным для решения задач дистанционного зондирования лесного покрова.
В главе рассмотрены различные вегетационные индексы, которые
могут быть использованы при решении задач мониторинга лесов.
Обоснованы возможности применения этих индексов.
На основе анализа существующих вегетационных индексов выявлено, что
универсальных индексов для изучения лесных покровов не существует, поэтому исходя из решаемых задач изучения объектов, необходимо выбирать оптимальный вегетационный индекс, используемый для создания индексных изображений при мониторинговых работах.
В главе представлена теоретическая разработка обобщённой структурной модели мониторинга лесных насаждений по разновременным зональным
космическим снимкам и определены направления исследований, результаты которых возможно использовать для повышения достоверности автоматизированного дешифрирования (рисунок 1).
В третьей главе «Экспериментальные исследования возможности использования космических снимков для оценки состояния лесов» предложена методика обработки изображений для исследований качественного состояния лесной растительности, состоящая из нескольких этапов. На рисунке 2 представлена разработанная автором технологическая схема (алгоритм) использования космических снимков для исследования качественного состава лесов на исследуемой территории.
Для экспериментальных исследований в качестве исходных материалов были получены снимки со спутников Landsat 5 с разрешением 15 м в панхроматическом и 30 м в мультиспектреальном режиме. Такое разрешение вполне удовлетворяет требованиям для выявления крупных площадей лесной растительности различного породного и возрастного состава. В качестве опорной информации использована таксационная карта на исследуемый участок Лосиного острова, составленная в 1998 году. Карты (1:М= 1:50 000) содержат информацию о породно-возрастном составе древесного массива Лосиного острова.
Для визуальной оценки возможности использования многоканальных снимков аппаратуры Landsat, снимки были преобразованы по методу главных компонент (PCA) (рисунок 3).
Визуальная оценка показала, что в различные сезоны наблюдается дифференциация растительности, которая при сравнении с картой очень близка к изменениям в породном и возрастном составе. Таким образом, есть возможность извлечь информацию о породном и возрастном составе растительности на основе спектральных данных по изображениям с аппаратуры Landsat.
Последующая экспериментальная часть заключается в исследовании изменений вегетационных индексов на участке древесного массива Лосиного острова. Статистический анализ изменений состояния лесного покрова был проведен на основе изображений с индексами NDVI, EVI, SAVI, NDWI.
Источник излучения – космические системы природно-ресурсного направления – Ресурс (СССР), Landsat (США), SPOT (Франция) с учетом параметров их орбиты
Прием электромагнитного излучения
Пункт приема и обработки первичной видеоинформации
Снимок
Получение
индексных изображений (ENVI)
Определение качественных и количественных показателей
Трансформирование
снимков
Аппаратные искажения съемочной системы (геометрические и фотометрические)
Влияние рельефа местности Кривизна Земли
ортоизображения
рисунок 1. Структурная модель мониторинга состояния древесной растительности с применением космических снимков
Погрешность
совмещения Разносезонность Достоверность классификации
Атмосфера – пропускание электромагнитного излучения
Объект съемки – модуляция электромагнитного излучения
10
Вертикальная атмосферная рефракция Облачность Ослабление излучения
= ( ,h , , ,…) 0
Условные обозначения:
-последовательность выполнения мониторинга; – искажающие факторы, вызывающие погрешности результатов.

Блок эталонных полигонов
Космические снимки высокого разрешения
карта
Блок обработки
геометрическая радиометрическая
атмосферная
Блок тематической обработки
Индексные изображения классификация
Преобразование изображения PCA
Исходные мультиспектральные снимки
Индексные изображения
Преобразование изображения
Синтезирование разновременных изображений
11
Космические снимки LANDSAT
Блок индексных изображений
NDVI EVI
SAVI NDWI
Выходная информация
метрические данные (площадные)
Качественные данные
карта
Рисунок 2. Технологическая схема использования космических снимков для исследования качественного состава лесов
На первом этапе была проведена векторизация растровой таксационной карты и создание атрибутивной таблицы с кодами разработанного классификатора деревьев. В предложенном методе в качестве основных показателей использовались четыре вегетационных индекса, изменения которых во времени могут служить индикатором для дифференциации массива по породному и возрастному составу.
Первый этап исследования подразумевает построение графиков на основе статистического анализа индексных изображений.
1.Графики средних значений NDVI в зависимости от породы деревьев для каждого месяца (рисунок 4).
2. Изменения средних значений NDVI в зависимости от месяца для каждой породы деревьев (рисунок 5).
Рисунок 3. Трехканальный композит из трех главных компонент снимка Landsat
Рисунок 4. Изменение значения NDVI для различных типов древесной растительности в течение вегетационного периода
13

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
NDVI
береза вяз дуб ель ива клень липа
апрель май
июнь июль
месяц
август
сентябрь октябрь
Рисунок 5. Изменения NDVI для каждого типа пород деревьев в течении вегетационного периода
При анализе сезонной динамики NDVI выявлено, что значения индекса выше в летние месяцы (июнь), чем в осенние (сентябрь и октябрь). Это может быть объяснено сезонной динамикой вегетационного индекса, так как растения в течение сезона проходят все фазы вегетации. По мере смены фаз вегетативного развития меняются состав и содержание пигментов в листьях растений, увеличивается биомасса, количество хлорофилла в зелёных листьях растений.
По мере накопления хлорофилла понижается яркость растений в видимой части спектра, возрастает в красной и особенно инфракрасной зоне. Этим объясняется возрастание значения вегетационного индекса NDVI..
С разрушением хлорофилла в осенние месяцы наблюдается обратная картина – яркость в красной зоне возрастает, а в ближней инфракрасной уменьшается, что прослеживается при анализе снимка в октябре. Значения NDVI в октябре для лиственных лесов значительно ниже, чем в летние месяцы. Уменьшение значений индекса связаны с усыханием растительности и, следовательно, низким содержанием хлорофилла в ней. Сравнение значений NDVI с учётом сезонной динамики развития растений выявляет снижение индексов в октябре в сравнении с показателями в июне и июле, что можно объяснить снижением общего количества хлорофилла в конце вегетационного периода. Данный факт говорит о достоверности применяемых методов при анализе состояния растительности.
Известно, что леса разных пород могут демонстрировать различную динамику фенологического развития (Елагин, 1994). Так, например, появление листьев на деревьях дуба и березы происходит обычно ранее всех остальных. Майские изображения в целом подтверждают этот факт, так как дуб, ива, клен и рябина, дают наибольшие показатели индекса, чем остальные породы.
ndvi

Существование различий в фенологической динамике древесных пород позволяет предположить и возможность выявления различий в динамике их спектрально-отражательных характеристик по данным регулярных спутниковых наблюдений достаточно высокой частоты. Особенно эта динамика в наибольшей степени проявляется на ранних майских снимках, сентябрьских и ранних октябрьских снимках, где дифференциация растительности максимальна.
Основным недостатком NDVI является то, что данный индекс чувствителен к воздействию почвы (яркость и цвет), и атмосферы. Поэтому для более качественного анализа необходимо использовать другие индексы.
Индекс EVI (Enhanced Vegetation Index – улучшенный вегетационный индекс) является наиболее распространенным альтернативным индексом растительности, который уменьшает влияние почвы и атмосферы. В работе исследованы изменения разновременных значений индекса EVI для различных пород деревьев на территории исследования. В целом изменения значений EVI в разные сезоны для разных типов лесов имеют подобную тенденцию изменения значений индекса NDVI. Однако, на графиках EVI различия в динамике фенологических фаз для разных пород представлены более явно.
На коэффициент отражения в ближнем ИК-диапазоне влияет внутренняя структура листа и содержание сухого вещества в листьях. Поэтому этот канал часто используется для анализа растительности.
В работе выполнен анализ возможности использования для мониторинга качественного состояния лесов иных вегетационных индексов.
Индекс SWIR отражает изменения содержания воды в растительности, и он чувствителен к условиям увлажнения, а также в верхнем слое почвы.
Индекс NDWI является одним из показателей, основанным на контрасте изображений канала SWIR с каналом NIR, который чувствителен к массе или объему воды, а не к доле влаги в процентах.
NDVI имеет ограниченные возможности для получения информации о содержании воды в растительности, поскольку он дает информацию о содержании хлорофилла, которая не связана напрямую с количеством воды в растительности. Таким образом, уменьшение содержания хлорофилла не означает уменьшение содержания воды, а уменьшение содержания воды не означает уменьшения содержания хлорофилла. Для оценки динамики вегетационного индекса NDWI были построены графики аналогичные рассмотренным выше индексам. Очевидно, что в апреле и октябре будут наблюдаться наиболее кардинальные отличия между хвойными и лиственными деревьями, ввиду отсутствия или усыхания листьев последних. Для хвойных деревьев ели и сосны значения индекса будут максимальны на этот период.
Следует также отметить, что опадание листьев березы осенью происходит позже остальных деревьев, что выражено в показаниях индекса. В октябре также наблюдается высокое содержание влаги у осины и лиственницы, что свидетельствует о том, что листва и хвоя не полностью опадают в этот период. Увеличение значений NDWI в мае обусловлено распусканием листьев и накоплением влаги в них. Важно заметить, что индекс хорошо отражает свойство хвойных растений, связанным с тем, что содержание влаги в хвое на протяжении года остается высоким (за исключением лиственницы). Поэтому для выделения лиственных от хвойных пород можно использовать индексных изображений NDWI полученных по космическом снимкам периода июль- октябрь.
Проведен эксперимент сравнения динамики вегетационных индексов для разных пород деревьев. Следует отметить, что вегетационные индексы по разному могут отражать динамику вегетации растительности. Так, сезонная динамика NDVI для рябины на графике NDVI не так явно отличается от остальных пород, как на графике EVI. Кривые графиков NDWI явно отражают различия между хвойными и лиственными породами за исключением пиков в летние месяцы. Кривые графиков SAVI и EVI также явно отражают различия между лиственными и хвойными породами. Для более явного контраста между хвойными и лиственными породами деревьев индексные изображения SAVI и NDWI были преобразованы в единое изображение, отражающее отношение двух этих индексов (рисунок 6). На полученных изображениях видно, что хвойная растительность выделяется более темным тоном, и четко выделяются на фоне лиственных. Такое комплексное изображение дает возможность выделять хвойные породы практически в любой сезон.
Рисунок 6. Сравнение различных индексных изображений (а. SAVI, б. NDWI, в. Отношение SAVI,NDWI)
В четвертой главе «Оценка достоверности использованных методов для распознавания типов лесов» приведена классификация пород деревьев по разным изображениям (мультиспектральные изображения, индексные изображения, и преобразованные изображения по методу PCA). Оценка точности определения пород лесов основана на построения матриц ошибок классификации. По данным матрицы ошибок рассчитывают обобщённые параметры, характеризующие точность классификации, в том числе индекс κ – Каппа Коэна.
Индекс Каппа Коэна вычисляется по формуле (1):
= ( − )/( − ) (1)
где
d – количество случаев правильного получения результата (сумма значений, стоящих на главной диагонали матрицы ошибок;
q – количество случайных результатов, вычисляемое через число случайных результатов в столбцах nf и истинных nr – в строках матрицы ошибок как
формула (2):
= ∑ (2)
где N – общее количество пикселов, образующих изображение объекта.
Полученные результаты доказывают, что достоверность определения пород лесов (хвойные или лиственные) с использованием вегетационных индексов не соответствует нормативным требованиям. Значения индекс Каппа Коэна варьируются от 0,21 до 0,64, для разных индексов (Таблица 1).
Далее по исходным изображениям, проводилась контролируемая классификация по методу расстояния Махаланобиса, значения индекс Каппа Коэна достигают 0,75 в мае в сезоне начала вегетации, точность классификации по методу максимального правдоподобия была немного лучше, и значение индекса каппа составляет 0,797, для разделения хвойных и лиственных парод (Таблица 1). В качестве сравнения методов классификация, и получения точных результатов проведена классификация с использованием методов расстояния Махаланобиса и максимального правдоподобия на преобразованных изображениях. С использованием метода главных компонентов результаты оценки достоверности (значения Каппа Коэна) достигали 0,799 в начале вегетации (Таблица 1).
Оценка достоверности полученных результатов при распознавании разных пород деревьев на территории исследовании, с использованием разных методов.
При использовании вегетационных индексов для выделения пород деревьев достоверность их результатов по величине Каппа Коэна не
превышают 0,37, поэтому не рекомендуется применения вегетационных индексов в качестве распознавании разных пород. В результате классификации исходных снимков, используя метода расстоянии Махаланобиса, получена умеренная согласованность по индексу Каппа и составляет 0,46, для снимков, полученных в мае месяце. При использовании метода максимального правдоподобия по индексу Каппа Коэна достоверность результатов получена выше, чем достоверность метода расстояний Махаланобиса. Значение индекса составляет 0,52 для тех же майских изображений (Таблица 2).
Таблица 1. Значения индекса Каппа Коэна для различных изображений при определении хвойных и лиственных пород
Способ преобразования
Хвойные и лиственные породы деревьев
Индекс KAPPA КОЭНА
апрель май июнь июль август сентябрь
октябрь
0.3832 0.2658 0.2704 0.4265
0.5934
NDVI 0.6414 EVI 0.5464 SAVI 0.5011 NDWI 0.2138
0.5298 0.4643 0.2675 0.2345 0.2646 0.4097 0.3343 0.2867 0.2659 0.2919 0.4073 0.3315 0.2660 0.2347 0.2614 0.5267 0.2549 0.4954 0.5855 0.5113
мультиспектральные снимки/ расстояние Махаланобиса
0.6983
0.7555
0.7125
0.7536
0.6758
0.6528
0.5934
мультиспектральные снимки/ метод максимального правдоподобия
0.7391
0.7970
0.7650
0.7744
0.7714
0.7258
0.6930
PCA / расстояние Махаланобиса
0.6987 0.7546 0.7167 0.7561 0.6709 0.6528
PCA / метод максимального правдоподобия
0.7577
0.7986
0.7720
0.7795
0.7729
0.7323
0.6930
Достоверность дешифрирования пород деревьев по снимкам с использованием преобразований главных компонентов имеет практически одинаковый результат, что при классификации исходных снимков, и имеет высокое значение индекса Каппа для снимков, полученных в мае месяце – 0,52 (Таблица 2).
Как видно из приведённых в таблице 2, значений индекса KAPPA КОЭНА, достоверность распознавания типов деревьев с использованием различных вегетационных индексов (индексных изображений), по мультиспектральным и преобразованным (PCA) снимкам дают невысокие результаты.
Для повышения достоверности результатов распознавания древесной растительности предлагаются методики синтезирования разносезонных и синтезирования разноиндексных изображений. Оценке подлежат варианты синтезирования материалов, полученных различными фотометрическими преобразованиями.
Таблица 2- Значения индекса Каппа Коэна для разных изображений при определении разных лесных пород
Все классы древесных пород
Индекс KAPPA КОЭНА
Способ
преобразования апрель май июнь июль
август сентябрь октябрь
NDVI 0.3213 0.3277 EVI 0.3265 0.2159 SAVI 0.2999 0.2185 NDWI 0.0378 0.3616
0.2398 0.1279 0.1682 0.1432 0.1635 0.1459 0.2122 0.3253
0.4010 0.4248 0.4740 0.4694
0.1273 0.1450 0.1324 0.1384 0.1321 0.1243 0.3910 0.3621
0.3994 0.3947 0.5126 0.4692
0.2619 0.2048 0.2135 0.2885
0.3543 0.4683
PCA / расстояние Махаланобиса PCA / метод максимального правдоподобия
0.4182 0.4605 0.4525 0.5253
мультиспектральные снимки / метод максимального правдоподобия
0.4147
0.4648
0.4038
0.4238
0.4067
0.3939
0.3543
мультиспектральные снимки / метод максимального правдоподобия
0.4305
0.5229
0.4639
0.4571
0.4953
0.4673
0.4683
Синтезирование разносезонных индексных изображений, полученных с апреля месяца по октябрь, позволяет выделить различные типы древесной растительности с достоверностью, по оценки с помощью Индекса Каппа, для изображений, созданных с помощью NDVI, составляют 0.55, с помощью EVI- 0.54 , SAVI -0.54 , NDWI- 0.53. Для получения более достоверных результатов классификации пород деревьев с использованием индексных изображений в работе предложен метод синтезирования разных индексных изображений, полученных с помощью NDVI, EVI, SAVI, NDWI в разные сезоны (апрель, май, июнь, июль, август, сентябрь и октябрь). При классификации изображения, полученного путём синтезирования разносезонных и разноиндексных изображений, точность выделения различных пород древесной растительности повышалась и стала 0,72. А при синтезировании разносезонных мультиспектральных изображений полученных с апреля месяца по октябрь, точность выделения различных пород деревьев повысилась, и коэффициент Каппа достигает величины 0,76. При использовании синтезирования
разносезонных преобразованных изображений, достоверность распознавания пород деревьев также достигает значения 0,77. (Таблица 3).
Таблица 3- значения индекса Каппа Коэна, определяющие достоверность классификации по различным синтезированным изображениям при определении пород лесной древесной растительности
Индекс Каппа Коэна
NDVI 0,55 EVI 0.54 SAVI 0.54 NDWI 0.53 Все ВИ 0,72 Снимки 0.76 PCA 0.77
Индекс Каппа Коэна до
синтезирования
0,13-0,32 0,13-0,33 0,12-0,19 0,03-0,39 – 0,35-0,52 0,35-0,52
Способы преобразования
– Использование предложенной методики (синтезирование разносезонных изображения) повышает достоверность разделения хвойных и лиственных пород древесной растительности. При этом способе значения индексов Каппа Коэна варьируют в пределах 0,75-0,78. В случае синтезирования разноиндексных разносезонных изображений индекс Каппа Коэна достигает 0,84. При синтезировании разносезонных изображений и разносезонных преобразованных изображений (PCA) получены значения индекса Каппа Коэна равные 0,88. (Таблица 4)
Таблица 4.- значения индекса Каппа Коэна, определяющие достоверность классификации по различным синтезированным изображениям при определении хвойных и лиственных пород
Способы преобразования
Индекс Каппа Коэна
Индекс Каппа Коэна до синтезирования
NDVI EVI SAVI NDWI Все Ви Снимки PCA
0.7862 0.7660 0.7555 0.7821 0.8413 0.8799 0.8802
0,23-0,64 0,26-0,55 0,23-0,5 0,21-0,52 – 0,59-0,79 0,59-0,79
На основе полученных результатов, подтверждающих эффективность использования разносезонных индексных изображений для классификации разных пород лесов, создана обновленная карта на тестовом участке территории лесного национального парка «Лосиный остров». Для этого были использованы разносезонные снимки Landsat (снимки получены в апреле, мае,
июне, июле, сентябре и октябре 2018),индексные NDVI изображения. Проведена контролируемая классификация типов деревьев.
Анализ полученных результатов, показывает снижение общей площади лесов, и изменение породной структуры лесов. В таблице 5 представлена динамика изменения площади разных парод деревьев, полученных в результате их классификации на синтезированных изображениях, созданных по разработанному автором способу.
Таблица 5. изменение площади парод древесной растительности
парод древесной растительности
2018/га
1151,1
176,67 1631,43 1837,53 125,1 1233,27 548,55 612,09 510,75 1618,02 34,11 345,86 9824,48
Разница/га
-754,56 2,43 662,31 -1094,49 -232,2 100,35 123,75 -251,19 -18,99 684,45 -31,41 12,14 -797,41
1998/га Береза 1905,66
Вяз 174,24 Дуб 969,12 Ель 2932,02
Клен 357,3 Липа 1132,92
Лиственница Ольха Осина Сосна Ясень Ива ∑/га
424,8 863,28 529,74 933,57 65,52 333,72 10621,89
В результате, используя программное обеспечение ENVI, Arc Map были получены карты, на которых отображены распределения пород деревьев в национальном парке «Лосиный остров» (рисунок 7).
Заключение
Диссертационная работа содержит полученные автором результаты исследований применения разновременных индексных изображений, используемых при решении задач мониторинга состояния лесов и распознавании породного состава с достаточной степенью достоверности.
В работе представлена разработка обобщённой схемы мониторинга лесных насаждений по разновременным космическим снимкам и определены направления исследований, результаты которых возможно использовать для повышения достоверности результатов автоматизированного дешифрирования.
Первым этапом в схеме мониторинга является постановка задачи – получение конечных результатов тематических обработки изображений.
На следующем этапе выполняется оценка изображений для их дальнейшей обработки и объективной оценки состояния лесов. Оценка
изображений включает: оптимальный выбор спектрального канала, разрешение космических снимков, оптимальность сезона съёмки.
Рисунок 7. Карты состава древесной растительности на территорию национального парка «Лосиный остров, полученные на основе классификации пород деревьев
на синтезированных разносезонных изображений
Следующий этап предусматривает калибровку и атмосферную коррекцию исходных изображений.
Используя оптимальный для решения поставленной задачи вегетационный индекс, создаются разновременные индексные изображения.
Метод синтезирования разновременных индексных и мультиспектральных изображений, предложенный в диссертационный работе, позволяет определить породы деревьев и их качественное состояние.
22

Окончательным этапом является оценка достоверности классификации лесных насаждений.
– Исследование динамики вегетационных индексов подтверждает их зависимость от стадии фенологического развития. Однако для наиболее эффективного распознавания необходимо использовать вегетационный индекс не как статичный признак. Характерным признаком, в особенности для лиственных пород деревьев является не сам вегетационный индекс, а его изменение во времени, которое отражает смену фенологических фаз. Так как разница в скорости фенологического развития разных пород деревьев может быть порядка недели, то желательно подбирать майские и октябрьские снимки, полученные с разностью по времени в одну неделю, что позволяет использовать снимки, полученные, например, со спутников Landsat или Sentinel-2.
– Экспериментально доказана эффективность распознавания пород деревьев при использовании комбинации разных вегетационных индексов.
– Усовершенствована методика применения синтезированных разносезонных индексных и мультиспектральных изображений, позволяющая повысить достоверность распознавания пород деревьев. Экспериментально доказано следующее:
1. Синтезирование разносезонных индексных изображений повышает достоверности выделения хвойных от лиственных пород деревьев и достигает 0,77.
2. Синтезирование разносезонных индексных изображений повышает достоверности распознавания пород деревьев и достигает 0,55.
3. Синтезирование разносезонных мультиспектральных изображений повышает достоверность выделения хвойных от лиственных пород деревьев и достигает 0,88.
4. Синтезирование разносезонных мультиспектральных изображений повышает достоверность распознавания разных пород деревьев и достигает 0,78.
На основании анализа результатов проведенных исследований, можно
рекомендовать использование синтезирование разносезонных индексных и мультиспектральных изображений для повышения достоверности распознавания пород древесной растительности и оценки их качественного состояния. Предлагаемая методика позволит сократить временные и финансовые затраты получения актуальных данных.
– С использованием данной методики классификации синтезированных разносезонных изображений выполнен мониторинг изменения площади лесов
со сменой преобладающих пород, обновлена карта территории национального парка «Лосиный остров». Полученная карта может быть использована научными организациями и органами государственной власти в качестве актуальной картой лесонасаждений на территорию Лосиного острова, В настоящее время, сотрудники научного отдела парка используют карту лесонасаждений, созданную в1998 году.
– В работе изложены научно обоснованные технологические решения, внедрение которых внесёт вклад в развитие и использования лесных насаждений. Результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием разработанной в диссертации технологии, позволят оценивать динамику состояния лесов и создавать информационные базы данных. Выводы и рекомендации могут быть использованы для практического применения лесоустроительными организациями в районах Латакии (Сирия).

Лесные ресурсы как важнейший компонент биосферы имеют глобальное
экологическое, экономическое и социальное значение. Обеспеченность
информацией о состоянии и динамике лесов планеты все еще остается
недостаточной и не отвечает современным требованиям устойчивого управления
лесными ресурсами, охраны окружающей среды и исследований в области
глобальных изменений биосферы и климата. Методы дистанционного
зондирования служат безальтернативным инструментарием, позволяющим
оперативно получать актуализированную информацию о площадях и
качественном состоянии лесных угодий. Достоверность информации, получаемой
по аэро- и космическим снимкам, зависит от корректности их
фотограмметрической обработки и дешифрирования. В настоящее время одним
из современных методов обработки является преобразование первичных снимков
с помощью вегетационных индексов и последующего создания индексных
изображений. Анализ существующих технологий создания индексных
изображений, основанных на компьютерном преобразовании исходных снимков,
показывает, что в ряде случаев преобразования не позволяют получить с
достаточной точностью качественные и площадные характеристики лесных
угодий. Эффективность применения методов дистанционного зондирования, и в
частности индексных изображений, зависит от учёта и минимизации влияния
различных технических и природных факторов, определяющих индивидуальность
и уникальность фотоизображений. Снижение эффективности использования
индексных изображений–следствие отсутствия комплексного учёта взаимосвязей
факторов и недостаточная изученность их влияния на достоверность получения
сведений о лесных угодьях.
Определяющим является учёт взаимосвязей таких главных компонентов
системы создания индексных изображений как:
– объектовая (энергетическая) компонента. Учёт данной компоненты
объясняется тем, что собственное или отражённое объектами излучение связано с
их физическими и химическими свойствами. Регистрация излучения при аэро –
или космической съёмке — это фиксирование информации о свойствах видов
лесов различными типами съёмочных систем. При проведении съёмок
энергетическая компонента существенным образом определяет информационные
свойства аэро- и космических снимков, которые в последующем обеспечивают
эффективность решения тематической направленности мониторинга лесных
угодий;
– техническая компонента, обеспечивающая мониторинг лесов
дистанционными методами и актуализацию геоинформации, включает
технические средства, технологии сбора и обработки видеоданных;
Повышение эффективности применения съёмочной аппаратуры и систем
цифровой обработки изображений для информационного обеспечения
мониторинга лесов является актуальной задачей.

Состояние изученности применения разновременных космических
снимков для мониторинга лесов.
Вопросам мониторинг окружающей среды, в том числе лесов с
использованием данных дистанционного зондирования, посвятили свои труды
многие ученые.
Основы теории использования снимков в задачах лесной отрасли заложены
Криновым Е. Л.,Седых В. Н., Сухининым А. И., Коровиным Г. Н., Исаевым А. С.,
Данилиным И. М. и др.
Обзор литературных источников показал большое количество и
разнообразие работ, связанных с проведением различных видов мониторинга и
также разработкой дешифрирования лесов, как в работе Лупяна Е. А., Барталева
С. А., Ершова Д. В., Гаврилюка Е. А., Плотникова А. С., Плотников Д. Е.,
Исаева А.С., Жирина В.М. , Жарка В.О., Малинникова В.А и др.
Применение космических снимков в решении задач мониторинга лесов
давно посвящено мнрого зарубежных работ как Franklin, 1986; Danson, 1987; De
Wulf и др., 1990; Ulaby, 1990; Herwitz, 1990; Danson и Curran, 1993; Ripple et al.,
1991; Derrien et al., 1992 ; Nilson and Peterson, 1994; Collin и Woodcock, 1994;
Cohen и др., 1996; Coppin и Bauer, 1996; Gholz и др., 1996; Ranson и др., 1997;
Luckman и др., 1997; Cohen и Fiorella , 1998; Bertrand et al., 2000; Wilson and Sader,
2002
Целью диссертационной работы является разработка и исследование
методики преобразования космических снимков с использованием вегетационных
индексов для мониторинга состояния лесных угодий.
Достижение данной цели потребовало решение следующих задач:
1. Анализ существующих подходов к распознаванию по данным
дистанционного зондирования типов растительного покрова с целью мониторинга
лесов. Характеристика съёмочных систем, используемых для мониторинга лесов.
Программное обеспечение, применяемое для преобразования исходных аэро- и
космических снимков и их интерпретации.
2. Научное обоснование применения вегетационных индексов как метода
повышающего достоверность классификации лесов по разновременным
космическим снимкам для мониторинга качественного состояния и
пространственного положения.
3. Разработка технологии обработки космических снимков для оценки
состояния лесов при использовании ВИ.
4. Исследование степени влияния на полученные результаты возможных
искажающих факторов, возникающих на определенных этапах разработанной
методики.
5. Оценка достоверности полученных экспериментальных данных.
6. Создание карты разных пород лесов на территории исследования
(Лосиный остров, Москва), с использованием предложенной методики.
Объектом исследования являются леса района Латакия (Сирия), в качестве
тестового полигона для разработки методики создания и применения индексных
изображений для мониторинга лесов использована территория заповедника
«Лосиный остров» (г. Москва)
Предметом исследования является концепция системы информационного
обеспечения мониторинга лесов по данным разновременных космических
съёмок, методика создания и обработки индексных изображений, исследования
влияния природных и технологических факторов на достоверность качественных
и пространственных данных по индексным изображениям.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработанная автором методика распознавания пород деревьев по
материалам, создаваемых методом синтезирования разносезонных индексных
изображений и мультиспектральных космических снимков по сравнению с
другими аналогичными работами, позволяет повысить достоверность
распознавания пород деревьев (достоверности распознавании пород деревьев с
использованием разработанной методики достигает 0,8) .
2. Разработанный алгоритм создания и использования индексных
изображений, полученных по космическим снимкам, позволяет подготовить
материалы для распознавания пород лесной древесной растительности и оценки
её качественного состояния.
3. Методика синтезирования разносезонных и мультиспектральных
космических снимков позволяет оценить качественное состояние и мониторинг
изменения площади различных типов древесной растительности, и создавать
авторские карты породного состава деревьев.
Полученные с использованием разработанной в диссертационной работе
технологии результаты экспериментальных исследований, тематические
продукты и базы данных, позволят оценивать динамику состояния лесов. Выводы
и рекомендации могут быть использованы для практического применения
лесоустроительными организациями в районах Латакии (Сирия).
Теоретическая значимость работы. Разработаны методики
использования различных вегетационных индексов для мониторинга лесов и
распознавания, породного состава лесов с достаточной степенью точности.
Практическая значимость работы. Теоретическая значимость
диссертационных исследований заключается в усовершенствовании и развитии
тематического дешифрирования космических изображений и использования
различных вегетационных индексов, полученных по мультиспектральным и
разновременным космическим снимкам, для распознавания породного состава
древесной растительности.
Методология и метод исследования. Поставленные цель и задачи
решались на основе научных положений применения дистанционных методов для
изучения Земли, дешифрирования снимков, фотограмметрии, системного анализа.
При этом применялись методы моделирования, теории вероятностей, теории
надёжности, математической статистики. Для проведения исследования были
использованы разновременные снимки Landsat, снимки высокого
пространственного разрешения, полученные из открытых геопорталов,
таксационная карта заповедника «Лосиный остров.
Работа выполнена на основе компьютерных технологий с использованием
программных пакетов ENVI, ArcMap.
Информационное обеспечение исследования составляли
картографические материалы, статистические данные, информационные и
аналитические материалы Росреестра, результаты исследований научных
институтов, производственных организаций и учёных, личные теоретические и
экспериментальные работы автора.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1.результаты исследования применения различных вегетационных индексов
для оценки состояния лесных угодий и динамика их изменений.
2. модель мониторинга изменения свойств лесов, с использованием
индексных изображений.
3. методика распознавания разных пород деревьев, с использованием
синтезированных разносезонных индексных и мультиспектральных изображений.
4. рекомендации по созданию и использованию индексных изображений
при мониторинге лесов.
Тема диссертации соответствует следующему пункту паспорта научной
специальности 25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли,
фотограмметрия:
П.4 «Теория и технология дешифрирования изображений с целью
исследования природных ресурсов и картографирования объектов исследований».
Апробация и реализация результатов исследований.
Основные положения работы и полученные результаты докладывались и
обсуждались на 8 международных и российских конференциях, проведенных в
Москве:
1. LX научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых
учёных и специалистов «Научные исследования и разработки молодых ученых
для развития АПК (ГУЗ), 2017
2. IV international Russian-Greek Student Scientific Conference (РУДН), 2017
3. LXI научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых
учёных и специалистов «Научные исследования и разработки молодых ученых
для развития АПК (ГУЗ), 2018
4. X international Scientific Conference (innovation in agriculture) (РУДН), 2018
5. Международная научно-практическая конференция “векторы развития
законодательного обеспечения государственной земельной политики: опыт XX
века и современность “(ГУЗ), 2018
6.LXII Научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых
учёных и специалистов «Научные исследования и разработки молодых ученых
для развития АПК», посвящённой 240-летию Государственного университета по
землеустройству (ГУЗ), 2019
7.XI-я Международная научно-практическая конференция, приуроченная к
60-летию со дня образования (РУДН)2019
8. LXIII научно-практической конференции студентов, аспирантов,
молодых учёных и специалистов, «Научные исследования и разработки молодых
учёных для развития АПК» (ГУЗ), 2020
По материалам диссертации опубликовано 7 работ, в рецензируемых
научных изданиях, в том числе 3 в журналах рекомендованных ВАК.
В диссертации отсутствует заимствованный материал без ссылок на автора
и источник заимствования. При использовании в диссертации результатов
научных работ, выполненных соискателем лично или в соавторстве, соискатель
отметил это обстоятельство.

Разработка эффективных методик оценки состава лесов, их инвентаризации
и мониторинга качественных и количественных характеристик на основе
спутниковых изображений, обеспечивающих возможность получения
необходимой информации на больших территориях, является актуальной задачей.
Диссертационная работа содержит полученные автором результаты
исследований применения разновременных индексных изображений,
используемых при решении задач мониторинга состояния лесов и распознавании
породного состава с достаточной степенью достоверности.
В работе представлена разработка обобщённой схемы мониторинга лесных
угодий по разновременным зональным космическим снимкам и определены
направления исследований, результаты которых возможно использовать для
повышения достоверности результатов автоматизированного дешифрирования.
Первым этапом в схеме мониторинга является постановка задачи –
получение тематических результатов обработки изображений.
На следующем этапе выполняется оценка изображений для их дальнейшей
обработки и объективной оценки состояния лесов. Оценка изображений
включает: оптимальный выбор спектрального канала, разрешение космических
снимков, оптимальность сезона съёмки.
Следующий этап предусматривает калибровку и атмосферную коррекцию
исходных изображений.
Используя оптимальный для решения поставленной задачи вегетационный
индекс, создаются разновременные индексные изображения.
Метод синтезирования разновременных индексных и мультиспектральных
изображений, предложенный в диссертационный работе, позволяет определить
породы деревьев и их качественное состояние.
Окончательным этапом является оценка достоверности классификации
лесных угодий.
Реализация предложенной концепции мониторинга лесов возможна при
исследовании различных факторов, влияющих на повышение достоверности
результатов автоматизированного дешифрирования изображений. Для этого в
диссертационной работе выполнены следующие исследования.

– Исследование влияния наличия облачности и расположение облаков
относительно лесных угодий. Результаты исследования показали, что наличие
облаков на изображении, не покрывающих объект исследования, практически не
влияет на значении вегетационного индекса NDVI.
– Исследование динамики вегетационных индексов подтверждает их
зависимость от стадии фенологического развития. Однако для наиболее
эффективного распознавания необходимо использовать вегетационный индекс не
как статичный признак. Характерным признаком, в особенности для лиственных
пород является не сам вегетационный индекс, а его изменение во времени,
которое отражает смену фенологических фаз. Так как разница в скорости
фенологического развития разных пород может быть около недели, то желательно
подбирать майские и октябрьские снимки, полученные с разностью по времени в
одну неделю, что возможно, при использовании снимков полученных, например,
со спутников Landsat или Sentinel-2.
– Экспериментально доказана эффективность распознавания пород деревьев
при использовании комбинации разных вегетационных индексов.
– Разработана методика синтезирования разносезонных индексных и
мультиспектральных изображений, позволяющая повысить достоверность
распознавания пород деревьев. Экспериментально доказано следующее:

1. Синтезирование разносезонных индексных изображений повышает
достоверности выделения хвойных от лиственных типов деревьев и
достигает 0,77.
2. Синтезирование разносезонных индексных изображений повышает
достоверности распознавании пород деревьев и достигает 0,55.
3. Синтезирование разносезонных мультиспектральных изображений
повышает достоверности разделения хвойных от лиственных типов
деревьев и достигает 0,88.
4. Синтезирование разносезонных мультиспектральных изображений
повышает достоверности распознавании разных пород деревьев и
достигает 0,78.
На основании анализа проведенных исследований, можно рекомендовать
использование синтезирование разносезонных индексных и
мультиспектральных изображений для распознавания пород деревьев в целях
повышения достоверности результатов. Предлагаемая методика позволит
сократить временные и финансовые затраты получения актуальных данных.
– С использованием разработанной методики классификации синтезированных
разносезонных изображений выполнен мониторинг изменения площади лесов со
сменой преобладающих пород, обновлена карта территории заповедника
«Лосиный остров». Полученная карта может быть использована научными
организациями и органами государственной власти в качестве актуальной картой
лесонасаждений на территорию Лосиного острова, В настоящее время,
сотрудники научного отдела парка используют карту лесонасаждений, созданную
в1998 году.
– В работе изложены научно обоснованные технологические решения,
внедрение которых внесёт вклад в развитие и использования лесных угодий
Сирии. Выводы и рекомендации могут быть использованы для практического
применения лесоустроительными организациями в районах Латакии (Сирия).
Результаты экспериментальных исследований, полученные с использованием
разработанной в диссертации технологии, позволят оценивать динамику
состояния лесов и создавать информационные базы данных.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Читать «Разработка и исследование методики использования индексных для мониторинга лесов»

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Анна В. Инжэкон, студент, кандидат наук
    5 (21 отзыв)
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссе... Читать все
    Выполняю работы по экономическим дисциплинам. Маркетинг, менеджмент, управление персоналом. управление проектами. Есть опыт написания магистерских и кандидатских диссертаций. Работала в маркетинге. Практикующий бизнес-консультант.
    #Кандидатские #Магистерские
    31 Выполненная работа
    Мария М. УГНТУ 2017, ТФ, преподаватель
    5 (14 отзывов)
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ... Читать все
    Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ. Большой опыт в написании курсовых, дипломов, диссертаций.
    #Кандидатские #Магистерские
    27 Выполненных работ
    Яна К. ТюмГУ 2004, ГМУ, выпускник
    5 (8 отзывов)
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соот... Читать все
    Помощь в написании магистерских диссертаций, курсовых, контрольных работ, рефератов, статей, повышение уникальности текста(ручной рерайт), качественно и в срок, в соответствии с Вашими требованиями.
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Александра С.
    5 (91 отзыв)
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повы... Читать все
    Красный диплом референта-аналитика информационных ресурсов, 8 лет преподавания. Опыт написания работ вплоть до докторских диссертаций. Отдельно специализируюсь на повышении уникальности текста и оформлении библиографических ссылок по ГОСТу.
    #Кандидатские #Магистерские
    132 Выполненных работы
    Татьяна П.
    4.2 (6 отзывов)
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все
    Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.
    #Кандидатские #Магистерские
    9 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Шагали Е. УрГЭУ 2007, Экономика, преподаватель
    4.4 (59 отзывов)
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и... Читать все
    Серьезно отношусь к тренировке собственного интеллекта, поэтому постоянно учусь сама и с удовольствием пишу для других. За 15 лет работы выполнила более 600 дипломов и диссертаций, Есть любимые темы - они дешевле обойдутся, ибо в радость)
    #Кандидатские #Магистерские
    76 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету