Введение к работе
Актуальность темы. На сегодня существуют два вида мониторинга лесов: мониторинг, проводимый в рамках выполнения ведомственных мероприятий государственной инвентаризации лесов (ГИЛ) и комплексные наблюдения с помощью системы глобального мониторинга растительности на основе веб-интегрированных геоинформационных систем - ГИС (Веб-ГИС). Первый вид мониторинга реализуется, главным образом, путем проведения полевых измерений с применением аэрокосмической информации и ГИС-технологий лишь для визуализации пространственных данных и актуализации (оценка факта наличия) лесного участка. Второй вариант мониторинга для визуализации использует Веб-ГИС среду с формированием слоев значений вегетационных индексов (ВИ) (часто одного - NDVI1) по изображениям только оптического частотного диапазона средств ДЗЗ. Глобальные Веб-ГИС сервисы дают пользователю ограниченную информацию о растительности, демонстрируя лишь слой поля значений NDVI и иногда дополнительно производные от индекса NDVI поля значений биологических параметров (LAI ,
NPP и др.). Часто отсутствие других видов информации вызвано причиной достижения пределов доступных для хранения объёмов памяти на ГИС-серверах (терабайты данных).
Существует два основных подхода одновременного сохранения и даже наращивания информативности систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и при этом сокращения объёмов обрабатываемой и хранимой информации на ГИС-серверах. Первый подход предполагает оптимизацию по информативности каналов ДЗЗ приборов при мониторинге растительности. Второй подход основан на объектно-ориентированных принципах, при которых анализ и классификация изображений происходят не на уровне пикселей, а на уровне объектов, групп пикселей, объединённых на основе определённой совокупности критериев.
Актуальность проводимых исследований обусловлена существующими на сегодня недостатками действующих систем обработки информации ДЗЗ при мониторинге лесной растительности, а именно:
низкие показатели оперативности представления результатов мониторинга в рамках ГИЛ (от 1 до 10 лет);
- низкая степень автоматизации процедур обработки информации с приборов и систем ДЗЗ;
-
NDVI (англ.) - Normalized Difference Vegetation Index, Нормализованный разностный индекс растительности;
-
LAI (англ.) - Leaf Area Index, Индекс листовой поверхности;
-
NPP (англ.) - Net Primary Productivity, Чистая первичная продуктивность растительности.
- ограниченный анализ состояния растительности средствами Веб-ГИС
без использования всего многообразия дистанционных признаков широкого
диапазона длин волн приборов ДЗЗ;
- достижение предельных объёмов памяти при хранении целевой
информации на серверах с приборов и систем ДЗЗ.
Значительный вклад в разработку методов обработки информации с приборов ДЗЗ при аэрокосмическом исследовании поверхности Земли, в том числе лесной растительности внесли различные российские организации и ученые, отметим лишь некоторые из них: ИКИ РАН (Лупян Е.А., Барталёв С.А.), ФИРЭ РАН (Крапивин В.Ф., Чухланцев А.А., Саворский В.П.), ИГ РАН (Десинов Л.В.), НЦ ОМЗ ОАО «РКС» (Емельянов К.С, Новикова Н.Н., Пермитина Л.И.), ЦЭПЛ РАН (Сухих В.И., Ершов Д.В.), МГУ (Козодёров В.В., Дмитриев Е.В.), МФТИ (Кондранин Т.В., Чабан Л.Н.), МГУЛ (Галкин Ю.С, Чумаченко СИ., Степанов И.М., Бурков В.Д., Давыдов В.Ф.), организации Рослесхоза (Филипчук А.Н., Архипов В.И., Н.А. Владимирова), ОАО «РКК «Энергия»» (Сорокин И.В., Беляев М.Ю.), ФГУП «ЦНИИМАШ» (Райкунов Г.Г., Емельянов А.А.), ООО «ИТЦ «Сканэкс»» (Маслов А.А., Гершензон В.Е.), 000 «Компания Совзонд» (Ялдыгина Н.Б.), ЦПАМ «Аэрокосмос» (Бондур В.Г.) и многие др. Анализ работ ключевых научных школ в этом направлении исследований позволил определить круг нерешённых вопросов и сформулировать актуальную цель диссертационной работы.
Целью диссертационной работы явилась разработка нового метода обработки информации по данным с приборов активного и пассивного ДЗЗ различных диапазонов длин волн, повышающего оперативность и точность оценки состояния лесной растительности при аэрокосмическом мониторинге.
Задачи исследования. В соответствии с указанной целью в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
разработка модели формирования участков относительно однородных групп каждого дистанционного признака объединённых в пространстве географических координат в дистанционно-ориентированные выделы (ДОВ) по информации с приборов ДЗЗ различных диапазонов длин волн;
мониторинг тестового участка леса Московской области с помощью ДОВ с определением таксационных и экологических параметров в их границах;
разработка метода мониторинга лесов с использованием ДОВ;
оценка возможности определения породного состава и среднего запаса насаждений на тестовом участке леса по радиолокационным и оптическим данным спутников ДЗЗ;
- практическая реализация метода мониторинга лесов с использованием
ДОВ с помощью выбранных программных и аппаратных средств, разработка
варианта реализации метода существующими и перспективными средствами ДЗЗ PC МКС.
Объект исследования. Объектом исследования диссертационной работы является совокупность существующих и разрабатываемых методов представления и обработки информации аэрокосмических средств дистанционного зондирования при мониторинге лесов.
Предмет исследования. Условия применения комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ при аэрокосмическом мониторинге лесов, обеспечивающих комплексную оценку состояния растительности.
Положения, выносимые на защиту:
-
Модель формирования дистанционно-ориентированных выделов на основе информации комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ различных диапазонов длин волн.
-
Метод мониторинга лесов с использованием дистанционно-ориентированных выделов.
-
Архитектура системы обработки информации комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ при мониторинге лесов с использованием дистанционно-ориентированных выделов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:
-
Разработана модель и алгоритм формирования дистанционно-ориентированных выделов с использованием информации комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ различных диапазонов длин волн.
-
Разработан метод мониторинга лесов с использованием дистанционно-ориентированных выделов.
-
Разработана архитектура системы обработки информации комплекса активных и пассивных приборов ДЗЗ при мониторинге лесов с использованием дистанционно-ориентированных выделов.
Практическая значимость работы. На базе полученных теоретических результатов, была создана подпрограмма, встраиваемая в основной пакет программного продукта ENVI IDL, которая является его отдельным диалоговым инструментом. Созданным инструментом был исследован тестовый участок леса Московской области с определением по известным регрессионным моделям ряда его экологических и таксационных характеристик. Предложена структурная схема интеграции существующих и перспективных средств ДЗЗ PC МКС при мониторинге лесов. Разработан вариант наземного комплекса приёма, обработки и распределения информации (НКПОР) в виде перебазируемого комплекса приёма и обработки информации (ПКПО), на аппаратных средствах которого может быть реализован метод мониторинга лесов с использованием ДОВ.
Достоверность полученных научных результатов подтверждается корректностью использования математического аппарата, положительными результатами экспериментальной проверки разработанного метода и алгоритма.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы методы распознавания образов и обработки изображений, математической статистики, кластерного анализа, геоинформатики, прикладного программирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях: ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУ леса, Мытищи, 2010 - 2012 гг.; научная конференция молодых специалистов ФГУП «НПО - Автоматики им. Н.А. Семихатова», Екатеринбург, 20Юг; научно-техническая конференция молодых учёных ОАО «НПО Измерительной техники», Королёв, ноябрь 2009г, 2010 г.; семинар «ЭКО Среды», Музей землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, апрель 2012г; XLVII научные чтения памяти К.Э. Циолковского, Калуга, сентябрь 2012; Десятая всероссийская открытая конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ноябрь 2012 г.
Публикации. Автором опубликовано 14 работ по теме диссертации, в том числе 5 работ в журналах входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Список опубликованных работ приведён далее. Получен патент на изобретение №2489845 «Способ мониторинга лесов».
Структура и объём диссертации. Работа состоит из списка сокращений, введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Список литературы включает 112 источников. Работа содержит 10 таблиц и 49 рисунков. Объём диссертации - 137 страниц.
