Зондирование лесного покрова высокочастотными импульсными лазерами и цифровыми аэро- и космическими фотоаппаратами сверхвысокого разрешения: опыт применения в Сибири

Зондирование лесного покрова высокочастотными импульсными лазерами и цифровыми аэро- и космическими фотоаппаратами сверхвысокого разрешения представляется перспективным направлением дистанционного мониторинга лесов при комплексирова-нии данных радаров с синтезированной апертурой (РСА) с данными оптического диапазона [1–11].

В 2012 г., в продолжение и развитие ранее выполненных работ [2–6], в Красноярском крае были выполнены исследования по использованию данных высокочастотной импульсной лазерной локации и цифровой аэро- и космической съемки сверхвысокого разрешения для целей таксации и мониторинга лесов. Исследования проводились на общей площади 110 км², на опытном полигоне Погорельского лесного стационара Института леса СО РАН. Примерные географические координаты центра опытного полигона – 56 ° 22 ' с. ш., 92 ° 55 ‘ в. д.

Основными целями исследований явилось совершенствование алгоритмов дешифрирования таксационных показателей лесных насаждений на основе данных лазерной и цифровой аэро- и космической съемки, а также разработка и адаптация программного обеспечения, позволяющего обрабатывать данные съемки и получать таксационные характеристики насаждений в автоматизированном режиме.

Аэросъемочные работы выполнялись с борта самолета АН-2, воздушным лазерным сканером RIEGL Q560, совместно с цифровым аэросъемочным комплексом IGI DigiCAM, включающим цифровую камеру Hasselblad H39/mp и фазовый GPS-приемник Novatel OEM 4/5.

Основой для планирования и трассирования маршрутов аэрофотосъемки и контурного дешифрирования лесных участков служили космические циф- ultra-high resolution aerial- and space photography, forest ровые снимки ближнего инфракрасного диапазона, геометрическим разрешением 50 см на пиксель, выполненные в системе World View-2 в июне 2012 г. (рис. 1).

Дешифрирование аэро- и космических снимков производилось в интерактивном режиме с использованием компьютерной программы ArcGis и функции пространственного анализа «Spatial Analist» [12], с доработанными лесотаксационными модулями. На аэро-и космических снимках и лазерных сканах выполнялось наложение и совмещение границ таксационнодешифровочных пробных площадей, с опознованием и контролем на местности (рис. 2).

Дешифровочные данные сопоставлялись с наземными инструментальными измерениями на таксационно-дешифровочных пробных площадях, заложенных в границах опытного полигона.

В результате выполненной работы были выявлены взаимосвязи таксационно-дешифровочных признаков лесных насаждений, по которым в автоматическом режиме актуализировались средние высоты, средние диаметры, суммы площадей поперечных сечений стволов, средние возрасты, полноты и запасы составляющих древесных пород. Построены гистограммы распределений по таксационным признакам древостоев. При расчете уравнений взаимосвязей и статистических показателей использовался программный комплекс StatSoft [13] (рис. 3).

Сопоставление результатов дешифровочных и наземных измерений характеризуется достаточно высокими индексами детерминации (R2 = 0.8999-0.9195). Наибольшая случайная ошибка определения средней высоты древостоя по данным лазерной съемки не превысила 7,0 %. Случайная ошибка для всех наблюдений находится в пределах 59,4 см или 2,1 %.

Рис. 1. Контурное дешифрирование таксационных выделов, выполненое специалистом таксатором по цифровому космическому снимку сверхвысокого разрешения WorldView-2 (NIR, ближний инфракрасный диапазон, геометрическое разрешение 50 см на пиксель)

Рис. 2. Трехмерное лазерно-локационное отображение древостоя с наложением границ таксационно-дешифровочной пробной площади и инвентаризационных кругов постоянного радиуса системы наземной таксации FieldMap

0) ч

K-S d=,11758, p<,01 ; Lilliefors p<,01

50 0

Ожидаемое нормальное распределение

-5   0    5   10   15  20  25  30

Н, м

0    4    8   12   16   20   24   28

Суммарные статистики: H

в ыдел

Количество наблюдений N =978

Среднее значение = 19,4678

Минимум = 1,00

Максимум = 27,00

Стандартное отклонение = 5,3512

Н, м

Mean = 19,4678 Mean±SD

= (14,1165, 24,8191)

Mean±1,96*SD

= (8,9793, 29,9563)

Рис. 3. Гистограмма и основные статистики распределения высот деревьев, определенных при таксации на опытном полигоне

По данным дистанционного зондирования и наземных измерений составлен цифровой план лесонасаждений опытного полигона. Разработаны и переданы в ФГУП «Рослесинфорг» для расширенной производственной апробации методические рекомендации по использованию воздушной лазерной и цифровой аэро- и космической съемки для целей таксации и мониторинга лесов в лесном фонде РФ.

Обоснована необходимость продолжения исследований в части изучения возможностей интегрирования данных оптических сенсоров с РСА, разработки программных модулей автоматизированной обработки мультисенсорных данных дистанционного зондирования леса.