RU2531765C1 - Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" - Google Patents
Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531765C1 RU2531765C1 RU2013130116/28A RU2013130116A RU2531765C1 RU 2531765 C1 RU2531765 C1 RU 2531765C1 RU 2013130116/28 A RU2013130116/28 A RU 2013130116/28A RU 2013130116 A RU2013130116 A RU 2013130116A RU 2531765 C1 RU2531765 C1 RU 2531765C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zone
- measurements
- signal
- forest
- boundary
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при оценке динамики глобальных климатических изменений в Арктике. Согласно способу проводят спектрометрические измерения в переходной зоне 69°…70° с.ш., содержащей тестовые участки в диапазоне 0,55…0,68 мкм и 0,73…1,1 мкм, а также синхронные радиометрические измерения в диапазоне СВЧ на длине волны ~30 см. Производят расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений. Формируют синтезированные матрицы измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений. По измерениям границы зоны тестового участка определяют пороговую величину синтезированного сигнала По. По пороговой величине с помощью программной обработки выделяют линию границы и производят визуализацию границы зоны лес-тундра и ее наложение на контурную карту Арктической зоны. Технический результат - увеличение контраста сигнала на границе переходной зоны лес-тундра. 4 ил.
Description
Способ отслеживания границы зоны «лес-тундра» Изобретение относится к лесному хозяйству и может найти применение при оценке динамики глобальных климатических изменений в Арктической зоне.
Древесная растительность наиболее чувствительна к изменению климата на термическом пределе ее произрастания в переходной зоне «лес-тундра». При глобальном потеплении следует ожидать возрастания продуктивности древесных насаждений и их экспансии в тундровую зону. Отмеченные эффекты принципиально обнаружимы с помощью временных рядов наблюдений из космоса, на основе двухканальных измерений радиометра высокого разрешения AVNRR метеорологического спутника NOAA (США).
Известна «Приближенная оценка фитомассы растительного покрова с использованием значений вегетационного индекса», статья В.М. Жирин, в научном сборнике «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве», М., Изд-во МГУЛ, 1998, стр.119-122 - аналог.
Способ-аналог включает разделение территорий лесного фонда по сходству лесорастительных и метеорологических условий, выбор летних (как правило, июльских) значений вегетационного индекса, с наименьшей дисперсией 6, рассчитываемого из соотношения:
Таблица. 1 | |||||||
Распределение значений фитомассы (тонн абсолютно сухого вещества на одном гектаре) и площадей основных лесных земель (в скобках, %) по группам июльских значений NDVI | |||||||
Интервалы июльских значении NDVI | Насаждения лиственницы | Естественные редины лиственницы | Заросли ерника и другие кустарники | Болота, водные поверхности | Участки горной тундры | Гольцы (каменистые россыпи) | Всего тонн на 1 га (площадь, %) |
0,110 0,285 | 1,26 (4,2) | 0,97 (7,0) | 0,26 (8,5) | 0,02 (0,4) | 3,26 (25,1) | 2,36 (54,8) | 8,13 (100) |
0,286-0,355 | 1,82 (6,1) | 1,32 (9,5) | 0,29 (9,6) | 0,07 (1,3) | 4,78 (36,8) | 1,58 (36,7) | 9,86 (100) |
0,356-0,390 | 3,95 (13,2) | 1,78 (12,8) | 0,42 (14,0) | 0,2 (3,6) | 4,32 (33,2) | 1,0 (23,2) | 11,67 (100) |
0,391-0,425 | 7,48 (25,0) | 2,78 (20,0) | 0,44 (14,5) | 0,2 (3,6) | 3,34 (25,7) | 0,48 (11,2) | 14,72 (100) |
0,426-0,460 | 3,5 (11.7) | 2,5 (18,0) | 0,34 (11,4) | 0,28 (5,0) | 3,85 (29,6) | 1,04 (24,3) | 11,51 (100) |
Из табл.1 следует, что переходной зоне лесотундры с чахлой растительностью (естественные редины, болота, каменные россыпи) соответствуют малая величины объема фитомассы и низкие значения NDVI на уровне 0,1.
Недостатком способа-аналога следует считать размытость границ переходной зоны, малый уровень сигнала для контрастного подчеркивания рельефной границы зон. В целом, по результатам съемки AVNRR, ширина переходной зоны составляет от 250 км на Западе от Енисейской транссекты до 100 км на Востоке [см., аналог, стр.44].
Одновременно установлено, что наименьшая величина прироста наблюдалась на пробных площадках с мощным моховым покровом, наибольшая - соответствовала дренированным участкам.
Для подчеркивания контраста в переходной зоне и устойчивости результатов измерений следует измерять дополнительный параметр - степень увлажненности почвенного покрова.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ контроля водного режима лесов» Патент RU №2103863, 1998 г., А01G 23/00; G01S 17/00.
Способ ближайшего аналога включает получение регистрограмм радиояркостной температуры почвогрунтов, калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, отличающийся тем, что осуществляют синхронную регистрацию радиояркостной температуры почвогрунтов на двух частотах f1«f2, разбивают весь интервал измерений на мозаику участков, преобразуют функции пространственной зависимости радиояркостной температуры Тя/x/f1, Тя/х/f2 каждого участка квантованием в матрицы цифровых отсчетов
получают поэлементным вычитанием
разностную матрицу, вычисляют параметры электрического сигнала разностной матрицы, среднеквадратическое отклонение σ, автокорреляционную функцию B(R), оценивают уровень гравитационной влаги почвогрунтов участка по регрессивной зависимости h,
синтезируют из последовательно проанализированных участков мозаичную картину влажности почвогрунтов по всей площади наблюдения,
R - ширина автокорреляционной функции сигнала разностной матрицы анализируемого участка на уровне 0,1B(R)max;
Недостатком ближайшего аналога следует считать невозможность непосредственного использования, поскольку граница зоны лес-тундра не выделяется.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в выборе высокочувствительных сигналов-идификаторов границы лес-тундра, формировании из сигналов синтезированной матрицы изображения переходной зоны и программной визуализации пограничной линии на изображении по пороговой величине сигнала тестового участка.
Техническое решение задачи обеспечивается тем, что способ отслеживания границы зоны лес-тундра включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащих тестовые участки, в диапазонах 0,55…0,68 мкм и 0,73…1,1 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~ 30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы зоны тестового участка, выделение программной обработкой линии границы по пороговой величине По±ΔП, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - зависимость КСЯ поверхности от типа растительности для расчета NDVI;
фиг.2 - зависимость радиояркостной температуры подстилающей поверхности в диапазоне СВЧ от степени увлажнения почвогрунтов;
фиг.3 - визуализация выделенной границы лес-тундра Арктической зоны для 69…70° с.ш.;
фиг.4 - функциональная схема устройства, реализующая способ. Техническая сущность способа состоит в следующем. Как следует из способа-аналога (табл.1, фиг.1) индекс NDVI в пограничной зоне имеет значение 0,1…0,11 (контраст единицы процентов), т.е. использование одного селектируемого параметра дает размытую (шириной до 100 км) границу.
В качестве другого независимого параметра в заявленном способе используют СВЧ сигнал собственного восходящего излучения Земли, прошедший толщу увлажненных почвогрунтов. Диапазон изменения СВЧ сигнала (фиг.2) в зависимости от влажности почвогрунтов изменяется в интервале десятков процентов. Чем больше влажность заболоченных участков, тем скуднее растительность, тем меньше уровень сигнала. Оба селектируемых признака (индекс NDVI и СВЧ сигнал) синхронно коррелированы между собой, и их произведение в синтезированном сигнале изображения обеспечит более высокий уровень контраста границы.
В силу принципа взаимности между глубиной проникновения электромагнитного поля в почвогрунт при радиолокационном зондировании и собственном СВЧ-радиоизлучением (см., например, Дулевич В.Е. и др. Теоретические основы радиолокации. - М.: Сов. Радио, 1964, с.677 - 680) радиояркостная температура (Тя) связана с термодинамической температурой ТоК зависимостью
В свою очередь, комплексный коэффициент отражения
электромагнитных волн определяется соотношением Френеля.
В качестве модели диэлектрической проницаемость увлажненных почв используется рефракционная формула вида (см., Реутов Е,А., Шутко А.М. «Теоретические исследования СВЧ-излучения однородных увлажненных засоленных почв». Исследование Земли из космоса, N 3, 1990, с.77):
Достаточной глубиной проникновения электромагнитного поля в почвогрунт считается величина несколько десятков см, что реализуется на длине волны зондирования ~30 см [см. ближайший аналог].
Для подчеркивания контраста формируют синтезированную матрицу измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих амплитуд пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений в диапазоне СВЧ. Попиксельное вычисление произведения амплитуд сигналов двух разнесенных по диапазону волн изображений осуществляют стандартной процедурой программного расчета (см., например, «Векторизация элементов матрицы», MATH САД, 7.0 PLVS, издание 3-е стереотипное, М., Информ.-издат. Дом «Филинъ», 1998 г., стр.211).
После получения синтезированной матрицы кадра изображения рассчитывают значения результирующего сигнала для тестового участка пограничной зоны По=(NDVI)x(сигнал СВЧ)±σ; где σ - среднеквадратическое отклонение амплитуды сигнала результирующего участка. Затем программным методом выделяют границу зоны «лес-тундра». Программа для заданного порога (POROG) находит и выделяет черным цветом участки изображения, являющиеся граничными в соответствии с заданным порогом.
Текст программы выделения границы:
Результат программного выделения границы зоны «лес-тундра» иллюстрируется фиг.4.
Пример реализации способа
Заявленный способ может быть реализован по схеме, представленной на фиг.4. Функциональная схема устройства содержит космический носитель 1 (типа «Ресурс»), на котором установлены средства измерений:
спектрометрический модуль 2 (типа МСУ) и радиометрический модуль 3 (типа ИКАР-П). Включение средств измерений над заданным районом Арктической зоны 4 осуществляет бортовой комплекс управления 5 космического аппарата по суточной программе или разовым командам, передаваемым из Центра управления полетом 6 по радиолинии управления 7. Отснятые кадры участков зондируемой территории вместе со служебной информацией (время съемки, координаты, угол визирования) записывают в буферное запоминающее устройство 8 и по каналу связи 9, в зонах видимости КА с наземных пунктов, сбрасывают на наземный пункт приема информации 10. После предварительной обработки (выделение служебных признаков) на средствах 11, информацию перегоняют в Центр тематической обработки 12, в котором через адаптер 13 она вводится в ПВЭМ 14 для обработки и определения границы зоны лес-тундра. При обработке используют стандартную комплектацию ПЭВМ в составе: процессора 15, оперативного запоминающего устройства 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Результаты измерений выводят на сайт сети «Internet» 21.
Радиометрический комплекс «ИКАР-П» прошел летные испытания в ИРЭ РАН. Выходы радиометров комплекса ИКАР-П подключены к аналого-цифровому преобразователю с шагом квантования сигнала по амплитуде
Натурные реализации измерений спектрометрических и радиометрических сигналов проводились по объекту «Депутатское лесничество» с координатами
северной широты и
восточной долготы.
Вначале комплекс программ специализированного программного обеспечения записывают на винчестер 17. Обработка регистрограмм по изложенным выше процедурам получения синтезированной матрицы представлены в таблице 2.
Таблица 2 | |||
Координаты широта долгота |
Значения NDVI | Значения СВЧ сиг. | |
Мат. ожидан. | Дисперсия, Д | ||
0,39-0,42 | 192 | 60 | |
-//- | 0,35-0,39 | 140 | 73 |
|
0,28-0,35 | 86 | 90 |
-//- | 0,11-0,28 | 43 | 110 |
Анализ фрагмента синтезированной матрицы измерений показал, что среднеквадратическому значению дисперсии амплитуды порогового сигнала
соответствует неопределенность выделения границы зоны лес-тундра в несколько км, что на порядок точнее идентификации границы способа-аналога (100…250 км).
Визуализированная граница зоны с нанесением ее на контурную карту «Депутатского лесничества» иллюстрируется фиг.3.
Эффективность способа характеризуется возможностью инструментального оперативного глобального отслеживания границы зоны лес-тундра, а также точностью, достоверностью и документальностью получаемых результатов.
Claims (1)
- Способ отслеживания границы зоны лес-тундра включает выбор трасс зондирования арктических территорий на термическом пределе произрастания растительности, спектрометрические измерения выбранных трасс, содержащих тестовые участки, в диапазонах 0,55..0,68 мкм и 0,73..1,1 мкм и синхронные радиометрические измерения в СВЧ диапазоне на длине волны ~30 см с получением последовательности кадров вдоль трассы полета в полосе поперечного сканирования, расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений, формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям границы зоны тестового участка, выделение программной обработкой линии границы по пороговой величине, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013130116/28A RU2531765C1 (ru) | 2013-07-02 | 2013-07-02 | Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013130116/28A RU2531765C1 (ru) | 2013-07-02 | 2013-07-02 | Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2531765C1 true RU2531765C1 (ru) | 2014-10-27 |
Family
ID=53382102
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013130116/28A RU2531765C1 (ru) | 2013-07-02 | 2013-07-02 | Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2531765C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2588179C1 (ru) * | 2015-01-29 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") | Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне |
RU2614182C1 (ru) * | 2016-01-29 | 2017-03-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") | Система контроля участков нарушения вечной мерзлоты в арктической зоне |
RU2703349C1 (ru) * | 2019-04-16 | 2019-10-16 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Интеллектуальная космическая система для мониторинга лесного фонда |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2103863C1 (ru) * | 1996-04-10 | 1998-02-10 | Московский государственный университет леса | Способ контроля водного режима лесов |
-
2013
- 2013-07-02 RU RU2013130116/28A patent/RU2531765C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2103863C1 (ru) * | 1996-04-10 | 1998-02-10 | Московский государственный университет леса | Способ контроля водного режима лесов |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.М. Жирин, «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве», М, 1998 г., Из-во МГУЛ, стр.119-122. В. И. Харук, Т. А. Буренина, Е. Ф. Федотова, Анализ экотона "лес-тундра" по данным космосъемки, Лесоведение. - 1999. - N 3. - С. 59 - 67. Elena V. Polyakova, ACTIVITY´S ON EXSTRACTION OF DIAMONDS INFLUENCE IN TERRITORY OF BELOMORSKO-KULOJSKOE PLATEAU ON CONDITION OF FOREST COMMUNITIES, European researcher. 2011. N 7 (10) , С.1118-1125 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2588179C1 (ru) * | 2015-01-29 | 2016-06-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") | Способ определения дигрессии надпочвенного покрова в арктической зоне |
RU2614182C1 (ru) * | 2016-01-29 | 2017-03-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") | Система контроля участков нарушения вечной мерзлоты в арктической зоне |
RU2703349C1 (ru) * | 2019-04-16 | 2019-10-16 | Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") | Интеллектуальная космическая система для мониторинга лесного фонда |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Greaves et al. | Estimating aboveground biomass and leaf area of low-stature Arctic shrubs with terrestrial LiDAR | |
Shoshany et al. | Monitoring temporal vegetation cover changes in Mediterranean and arid ecosystems using a remote sensing technique: case study of the Judean Mountain and the Judean Desert | |
De Benedetto et al. | An approach for delineating homogeneous zones by using multi-sensor data | |
Agapiou et al. | Spectral sensitivity of ALOS, ASTER, IKONOS, LANDSAT and SPOT satellite imagery intended for the detection of archaeological crop marks | |
Ali et al. | Retrieval of forest leaf functional traits from HySpex imagery using radiative transfer models and continuous wavelet analysis | |
Leng et al. | A practical algorithm for estimating surface soil moisture using combined optical and thermal infrared data | |
Betbeder et al. | Contribution of multitemporal polarimetric synthetic aperture radar data for monitoring winter wheat and rapeseed crops | |
Lei et al. | Automated estimation of forest height and underlying topography over a Brazilian tropical forest with single-baseline single-polarization TanDEM-X SAR interferometry | |
JP2011167163A (ja) | 水稲収量予測モデル生成方法、及び水稲収量予測方法 | |
CN110109118B (zh) | 一种森林冠层生物量的预测方法 | |
Yu et al. | Supplement of the radiance-based method to validate satellite-derived land surface temperature products over heterogeneous land surfaces | |
Panciera et al. | A proposed extension to the soil moisture and ocean salinity level 2 algorithm for mixed forest and moderate vegetation pixels | |
Görgens et al. | Stand volume models based on stable metrics as from multiple ALS acquisitions in Eucalyptus plantations | |
She‐Zhou et al. | Forest leaf area index (LAI) estimation using airborne discrete‐return lidar data | |
Cosh et al. | Microscale structural aspects of vegetation density variability | |
JP4810604B2 (ja) | 水稲作付け状況把握システム、水稲作付け状況把握方法、及び水稲作付け状況把握プログラム | |
RU2531765C1 (ru) | Способ отслеживания границы зоны "лес-тундра" | |
El Hajj et al. | Water uptake rates over olive orchards using Sentinel-1 synthetic aperture radar data | |
Kenyi et al. | Comparative analysis of SRTM–NED vegetation canopy height to LIDAR‐derived vegetation canopy metrics | |
Challis et al. | The role of lidar intensity data in interpreting environmental and cultural archaeological landscapes | |
Zine et al. | Land surface parameter monitoring with ERS scatterometer data over the Sahel: A comparison between agro-pastoral and pastoral areas | |
Traore et al. | Assessing the inter-relationship between vegetation productivity, rainfall, population and land cover over the Bani River Basin in Mali (West Africa) | |
Bach et al. | Integrative use of multitemporal rapideye and TerraSAR-X data for agricultural monitoring | |
Al-Bakri et al. | A comparison of two models to predict soil moisture from remote sensing data of RADARSAT II | |
Ekercin et al. | Estimating soil salinity using satellite remote sensing data and real-time field sampling |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150703 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160527 |