Результат интеллектуальной деятельности: Способ дистанционного определения антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи

Изобретение относится к области исследования земной поверхности, в частности, с помощью дистанционной съемки летательными аппаратами в комплексе с наземными исследованиями. Из литературных источников [1, 2, 3, 4, 5] известны методы аэрокосмического мониторинга экосистем, изучения состояния почв и исследования экологического состояния природных объектов, здесь приведены статистические данные по состоянию пастбищ, составу травостоя, продуктивности и связанной с ней площади проективного покрытия почвы [1, с. 37-40], они выделяют [2, с. 325] 4 градации состояния пастбищ в соответствии с нормами экологического состояния: несбитые и слабосбитые (норма), среднесбитые (риск), сильносбитые (кризис), очень сильно сбитые (бедствие) и устанавливают для них нормы относительной площади проективного покрытия [3, с. 11, 12, 42, 44], таким образом, определяя по аэрокосмоснимкам пастбищ относительную площадь проективного покрытия, можно установить их состояние, приведены этапы комплексной диагностики антропогенной трансформации экосистем [4, с. 5-8] на основе ландшафтно-индикационного анализа изображения космических снимков [5, c. 71-73].

Известен способ оконтуривания территорий растительных покровов по космическим снимкам, включающий радиолокационное зондирование с летательного аппарата в СВЧ диапазоне, сопоставление характеристик отраженного сигнала с характеристиками зондируемого объекта и суждение по результатам о состоянии растительного покрова, при этом для каждого объекта растительного покрова определяют его объем, формирующий отраженный радиосигнал, а сопоставление характеристик этого сигнала осуществляют с характеристиками указанного объема объекта (SU 1379758, G01V 9/00, 07.03.1988). Недостатком этого способа является определение только объемных характеристик объекта исследований без уточнения уровня деградации.

Существует способ комплексной оценки экологической обстановки в регионе, разбитом на административно-территориальные образования, включающие города, в т.ч. промышленные центры, при котором для сбора данных используют дистанционные методы и проводят локальный мониторинг по показателям качества окружающей среды с определением территорий с нормальной экологической обстановкой, экологического риска, экологического кризиса и экологического бедствия (патент RU №2243554, С1, МПК G01N 33/00), отличающийся тем, что при проведении мониторинга осуществляют оценку изменения во времени показателей качества окружающей среды, при этом для оценки экологической обстановки территории административно-территориального образования используют показатели: площадь деградированных наземных экосистем, в том числе площадь деградированных пастбищ, площадь засоленных почв, площадь эродированных почв, площадь подвижных песков, площадь деградированных сельскохозяйственных и лесных угодий, площадь выведенных из сельхозоборота земель вследствие их деградации, площадь заболоченных почв и др. Недостатком этого способа является выявление только площади деградированных угодий и комплексной оценки по ней экологической обстановки без учета конкретной пространственной конфигурации, размещения в рельефе и географических координат полигона.

Известен способ определения состояния пастбищ, подверженных деградации (патент RU №2327107, С1, МПК G01С 11/00) сущность которого состоит в выполнении космической съемки отнесенной к пастбищам земной поверхности в поздний осенний или ранний летний период. Преобразовании полученного изображения в цифровой формат. Осуществлении компьютерной оценки распределения фототона этого изображения по 256-уровневой шкале серого цвета. Выделении контуров пастбищ. Вычислении количества пикселей каждого уровня, составляющих изображение пастбища. Определении площади участков пастбища, распределенных по уровням шкалы серого цвета. Привязки обработанного изображения к географическим координатам и трансформировании его. По относительной площади проективного покрытия почвы травянистой растительностью проводят оценку деградации пастбищ.

Задачей изобретения является оценка антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи.

Способ дистанционного определения антропогенной трансформации фитоценозов с использованием вегетационного индекса IPVI=(NDVI+1)/2 в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи, отличающийся тем, что с помощью летательных аппаратов выполняется дистанционная цифровая геокодированная спектрозональная съемка и при помощи спектрорадиометра производится наземная цифровая спектральная съемка в диапазоне от 320 до 1100 нм, в том числе с разделением на поддиапазоны: 320-380 нм (ультрафиолетовый), 380-440 (фиолетовый), 440-485 (синий), 485-500 (голубой), 500-565 (зеленый), 565-590 (желтый), 590-625 (оранжевый), 625-780 (красный) и 780-1100 (ближний инфракрасный) отнесенной к полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи земной поверхности, а также расположенных в этой полосе эталонных участков доминирующих фитоценозов в летний период, преобразуют полученные спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу, проводят компьютерную оценку распределения отражения энергии этого изображения и сравнивают с данными спектральной наземной съемки эталонного участка с установленным фитоценозом по уровням отраженной энергии, выделяют контуры доминирующих фитоценозов с разделением по уровням вегетационного индекса IPVI, а также контуры поверхности при отсутствии фитоценозов, создают картографические геоинформационные слои контуров фитоценозов по уровням вегетационного индекса IPVI и контуров поверхности при отсутствии фитоценозов, трансформируют такие слои в картографическую проекцию, соответствующую рабочему масштабу карты, устанавливают пространственное размещение и площадь каждого контура, а уровень антропогенной трансформации в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи определяют по формуле:

Y=ΣS_IPVI(0-0,6)/S_ПО,

где ΣS_IPVI(0-0,6) сумма площадей контуров с значениями IPVI от 0 до 0,6;

S_ПО - общая площадь полосы отвода, при этом оценку антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи проводят по шкале Y=0,8-1 - полностью трансформированы с разреженным рудеральным фитоценозом, Y=0,6-0,8 - сильно трансформированы с доминирующим рудеральным фитоценозом, Y=0,4-0,2 - слаботрансформированы с доминированием естественных фитоценозов, Y<0,2 - полностью восстановленные естественные фитоценозы

Способ реализуется следующим образом.

Антропогенная трансформация фитоценозов полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи происходит в результате воздействия на естественные ландшафты деятельности человека по прокладке путей транспорта и линий электропередачи. При этом разрушается существующая естественная экосистема, включая разрушение как биотических, так и абиотических компонентов. Связано это, как правило, с перемещением плодородного слоя, а также минерального слоя почвы и происходящем при этом уничтожением на этой площади естественных биоэкосистем. Согласно ГОСТ 17.5.3.04-83 «Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель» этапы рекультивации земель - Рекультивацию земель выполняют в два этапа: технический - этап рекультивации земель, включающий их подготовку для последующего целевого использования в народном хозяйстве и биологический, включающий комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почв. Согласно п. 5.1 ГОСТ 17.5.3.04-83 при строительстве, реконструкции и эксплуатации линейных сооружений (магистральных трубопроводов и отводов от них, железных и автомобильных дорог, каналов) должны быть рекультивированы: трассы трубопроводов; притрассовые карьеры; резервы; кавальеры. При этом восстановление в полосе отвода путей транспорта древесной и кустарниковой растительности, затрудняющей их нормальную эксплуатацию, не допускается. В связи с этим появляется необходимость дистанционного определения состояния фитоценозов, в том числе травянистой растительности на земной поверхности, отнесенной к полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи, а также установления уровня антропогенной трансформации, с картографированием контуров фитоценозов и контуров поверхности при отсутствии фитоценозов.

Дистанционное определение антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи проводится с использованием вегетационного индекса:

IPVI=(NDVI+1)/2,

где IPVI – инфракрасный вегетативный индекс (Infrared Percentage VI);

NDVI – нормализованный разностный ВИ (Normalized Difference VI).

При этом индекс IPVI может принимать значения от 0 до 1, что устраняет отрицательные значения индекса NDVI. Для реализации способа при помощи летательных аппаратов выполняют дистанционную цифровую геокодированную спектрозональную съемку и при помощи спектрорадиометра наземную цифровую спектральную съемку в диапазоне от 320 до 1100 нм, в том числе с разделением на поддиапазоны 320-380 нм (ультрафиолетовый), 380-440 (фиолетовый), 440-485 (синий), 485-500 (голубой), 500-565 (зеленый), 565-590 (желтый), 590-625 (оранжевый), 625-780 (красный) и 780-1100 (ближний инфракрасный) отнесенной к полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи земной поверхности, а также расположенных в этой полосе эталонных участков доминирующих фитоценозов в летний период, соответствующий максимальным значениям вегетационного индекса, с использованием геоинформационных программных комплексов, например QGIS, преобразуют полученные спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу с использованием формулы:

IPVI=[B(780-1100)-B(625-780)+1]/2×[B(780-1100)+B(625-780)],

где В – спектрозональный снимок в заданном диапазоне спектра.

Проводят компьютерную оценку распределения отражения энергии этого изображения и сравнивают с данными спектральной наземной съемки эталонного участка с установленным фитоценозом. По уровням отраженной энергии с использованием программных комплексов анализа изображений, например, ENVI, выделяют контуры доминирующих фитоценозов с разделением по уровням вегетационного индекса IPVI, а также контуры поверхности при отсутствии фитоценозов. С использованием геоинформационных программных комплексов создают векторные картографические геоинформационные слои контуров фитоценозов по уровням вегетационного индекса IPVI и контуров поверхности при отсутствии фитоценозов (картографируют). Трансформируют такие слои в картографическую проекцию, соответствующую рабочему масштабу карты, устанавливают пространственное размещение и площадь каждого контура, а уровень антропогенной трансформации в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи определяют по формуле:

Y=ΣS_IPVI(0-0,6)/S_ПО,

где ΣS_IPVI(0-0,6) сумма площадей контуров с значениями IPVI от 0 до 0,6;

S_ПО - общая площадь полосы отвода, при этом оценку антропогенной трансформации фитоценозов (Y - уровень трансформации) в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи проводят по шкале:

Y=0,8-1 - полностью трансформированы с разреженным рудеральным фитоценозом;

Y=0,6-0,8 - сильно трансформированы с доминирующим рудеральным фитоценозом;

Y=0,4-0,2 - слаботрансформированы с доминированием естественных фитоценозов;

Y<0,2 - полностью восстановленные естественные фитоценозы.

Технический результат: обеспечение дистанционного определения состояния фитоценозов на земной поверхности, отнесенной к полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи, при помощи летательных аппаратов и выборочных наземных исследований.

Литература

1. Виноградов, Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем / Б.В. Виноградов. – М: Наука, 1984. – С. 37-40.

2. Виноградов, Б.В. Прогнозирование пространственно-временной динамики экосистем методом универсального кригинга / Б.В. Виноградов, С.М. Кошель, К.Н. Кулик // Экология, – 2000. – №5. – С. 323-332.

3. Кормовые ресурсы сенокосов и пастбищ Калмыкии / Т.И. Бакинова [и др.]. – Ростов-на Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002. – 184 с.

4. Андреев, Д.Н. Методика комплексной диагностики антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий / Д.Н. Андреев // Географический вестник №4 (23), 2012. – С. 4-10.

5. Crippen, R.E., Calculating the vegetation index faster. Remote Sensing of Environment N 34, 1990, p. 71-73. DOI: 10.1016/0034-4257(90)90085-Z