Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОТСЛЕЖИВАНИЯ ГРАНИЦЫ ЗОНЫ "ЛЕС-ТУНДРА"

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:

,

где - значения коэффициентов отражения в спектральном интервале 0,58-0,68 мкм;

- значения коэффициентов отражения в интервале спектра 0,73-1,1 мкм; формирование выборочных совокупностей на примере тестовых (ключевых) участков для определения соотношения площадей основных категорий земель по группам значений NDVI, вычисление значений фитомассы основных категорий земель и нахождение их связи со значениями вегетационного индекса, классификация территории лесного фонда по продуктивности лесного и растительного покрова. Фрагмент связи NDVI с объемом фитомассы представлен следующей таблицей 1.

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,

где - предельная глубина проникновения электромагнитного поля в почвогрунт по частоте f₁;

- среднеквадратическое отклонение сигнала разностной матрицы анализируемого участка;

R - ширина автокорреляционной функции сигнала разностной матрицы анализируемого участка на уровне 0,1B(R)_max;

- постоянная экспоненты, определяемая зондированием эталонных участков.

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 П_о±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 (Т_я) связана с термодинамической температурой Т_оК зависимостью

где - комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн от почвогрунта.

В свою очередь, комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн определяется соотношением Френеля.

Для углов скольжения (что справедливо для надирных измерений)

,

где - комплексная диэлектрическая проницаемость зондируемой среды.

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):

где - комплексные диэлектрические проницаемости почвы, воды и твердых частиц почвы;

- плотность почвы и твердых частиц;

- объемное влагосодержание почвы.

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 П_о=(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

Значения результирующего сигнала для тестового участка пограничной зоны составили

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.