Список сокращений 4
Введение 6
1 Анализ предметной области 8
1.1 Повреждение лесов насекомыми-вредителями 8
1.2 Проблемы и решение задачи обнаружения повреждений и
восстановления лесов, поврежденных насекомыми-вредителями, с помощью данных ДЗ 8
1.2.1 Задачи, решаемые с использование ДДЗ 8
1.2.2 Полученные результаты 15
1.3 Спектральные портреты растительности 17
1.4 Сукцессия 19
1.5 Вспышка численности сибирского шелкопряда 21
1.5.1 Активные вспышки сибирского шелкопряда 22
1.6 Выводы по главе 24
2 Обзор литературы по использованию данных дистанционного
зондирования для анализа лесов, поврежденных сибирским шелкопрядом .. 25
2.1 Данные дистанционного зондирования, использующиеся в статьях 25
2.2 Анализ данных в статьях 26
2.3 Результаты в работах 27
2.4 Выводы по обзору литературы 29
3 Исходные данные и методы их обработки 30
3.1 Территория исследования 30
3.2 Данные, используемые в работе 31
3.3 Цифровая модель рельефа 33
3.4 Программное обеспечение, используемое в работе 34
3.4.1 Программный пакет ENVI 34
3.4.2 Классификация 37
3.4.3 Классификация с обучением 38
3.4.4 Разделимость сигнатур 39
3.4.5 Метод максимального правдоподобия 40
3.4.6 Оценка точности классификации 41
3.5 Программный пакет ArcGIS 43
3.5.1 Наборы инструментов 44
4 Предварительная обработка данных 47
4.1 Оцифровка карты-схемы 47
4.2 Создание мозаики и извлечения данных по маске 48
4.3 Обработка данных ЦМР 50
5 Анализ данных 54
5 .1 Анализ снимков до вспышки численности сибирского шелкопряда .... 54
5.2.1 Анализ данных 2001 года 56
5.2.2 Данные 2006 года 58
5.2.3 Данные 2011 года 59
5.2.4 Данные 2015 года 61
5.2.5 Данные 2016 года 62
5.2.6 Анализ мультиспектрального изображения за март 2017 года 65
5.3 Анализ характеристик ТЦМ 67
6 Результаты 68
6.1 Динамика площадей растительного покрова 68
6.2 Динамика растительного покрова по характеристикам рельефа для
разных типов растительного покрова 69
6.3 Карты динамик поверхности 72
Заключение 74
Список использованных источников 75
Приложение А_Разделимость сигнатур 78
Приложение Б Матрица ошибок 100
Сибирский шелкопряд является основным вредителем темнохвойных лесов Азиатской России, насекомое из семейства коконопрядов, которое питается хвоей почти всех хвойных пород. В небольших количествах вредитель не вызывает критических изменений лесного покрова, в случае резкой вспышки его массовых размножений особенно разрушительны в темнохвойной тайге с доминированием пихты и кедра. Резкая вспышка численности сибирского шелкопряда может быть вызвано засушливым климатом в ранние годы до вспышки, уменьшением количества естественных врагов, другими климатическими изменениями на территории вспышки [1].
Только за последние 100 лет на территории Красноярского края зарегистрировано 9 вспышек вредителя. В результате были повреждены леса на площади более 10 миллионов гектаров. Последняя вспышка массового размножения закончилась здесь в 1996 году. Погибло более 140 тыс. га леса, было потеряно около 50 миллионов кубических метров древесины [1].
Необычайно высокая эруптивность вспышки массового размножения сибирского шелкопряда в 1994-1996 годах была в темнохвойных лесах Нижнего Приангарья и Енисейского кряжа. В связи с развитием крупномасштабной вспышки сибирского шелкопряда в лесах Красноярского края возникла угроза гибели ценных лесных массивов, главным образом пихтовых и кедровых, на площади около 1 млн. га. С целью локализации и подавления многочисленных очагов шелкопряда в темнохвойных лесах Усольского, Мотыгинского, Чунского, Манзенского, Таёжинского, Енисейского, Казачинского, Ирбейского, Абанского и Пировского лесничеств в 1995-1996 годах проведены авиахимические и авиабактериологические обработки на площади 579 тыс. га [2].
После проведения авиационно-истребительных мероприятий был проведён учёт эффективности. В совокупности с естественными факторами смертности, авиаобработки обеспечили снижение численности сибирского шелкопряда до безопасного уровня на 80 % обрабатываемой площади.
В течение 2007 года специалистами ЦЗЛ не выявлено ни в одном лесничестве роста численности вредителя [2].
После вспышки численности сибирского шелкопряда древостои, погибшие на этих территориях, становятся природным топливом для лесных пожаров. Такие территории находятся в пирологическом состоянии, в засушливые сезоны крайне опасны, для решения таких проблем необходимо проводить санитарные вырубки пирологических древостоев. Такие меры могут предотвратить пожарную опасность на территориях, поврежденных насекомыми-вредителями.
Дистанционное зондирование - это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра.
Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологического мониторинга, этот параметр - наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, используемых в ДЗЗ, можно поделить на три участка - радиоволны, тепловое излучение (ИК- излучение) и видимый свет. Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ - видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности.
В работах [3-7] данные дистанционного зондирования (ДДЗ) используются в задачах мониторинга леса для анализа состояния растительного покрова и выделения территорий вспышек вредителей. В работах [8-14] ДДЗ используются для выделения и анализа территорий вспышки численности сибирского шелкопряда.
Работа посвящена изучению динамика восстановления растительного покрова на территориях вспышки численности сибирского шелкопряда по ДДЗ, анализу площадей растительного покрова и изменению с течением времени на территориях с разными степенями повреждений.
Цель: исследования динамики восстановления лесов, повреждённых сибирским шелкопрядом, по данным дистанционного зондирования
Задачи::
- получение данных Landsat для территории Нижнего Приангарья с 1989 года по настоящее время для изучения динамики растительного покрова;
- сборка мозаик данных Landsat, поскольку исследуемая территории больше одной сцены Landsat;
- оцифровка карты-схемы поврежденных лесов для создания маски по территориям вспышки численности сибирского шелкопряда;
- выделение типов подстилающей поверхности по разновременным данным;
- анализ изменений растительного покрова на территориях с разной степенью повреждений и оценка их площади;
- анализ информативности спектральных каналов для разделения типов растительности;
- построение карты динамики поверхности территорий поврежденных лесов.
Были просмотрены снимка Landsat на сервисе USGS до вспышки численности сибирского шелкопряда по настоящее время для территории Нижнего Приангарья за вегетационный период и выгружены необходимые данные. Первые данные датированы 1989 годом, в этот год начали появляться первые признаки вспышки, по этим данным оценивалось состояние растительного покрова до вспышки численности сибирского шелкопряда. Вплоть до 2001 года данные отсутствовали или попросту имели большую облачность и с ними невозможно было работать, следующие данные датированы 2006, 2011, 2015 и 2016 годов. В работе так же использовались мартовские данные 2017 года. Также выгружены данные по ЦМР SRTM с разрешением 1х1 секунду полу дуги, изучена литература по использованию ДДЗ для выделения повреждений насекомыми-вредителями.
В программе ENVI были собраны мозаики снимком Landsat и ЦМР. Мозаика для ЦМР собиралась из 18 частей с разрешением 1 arc global, количество сцен для составления мозаики по данным Landsat были от 3 до 5 в зависимости от ширины полосы обзора спутника.
Была выполнена оцифровка сканированной карта-схемы «Лесов, поврежденных сибирским шелкопрядом Центр Защиты Природы Красноярск 1996г.» в программе ENVI для создания маски повреждений. Из ранее полученных мозаичных данных были извлечены данные по созданной маске повреждений для дальнейшей работы только с территориями поврежденных сибирским шелкопрядом.
Были выделены типы подстилающей поверхности по разновременным данным, путем классифицирования методом максимального правдоподобия. Была выполнена проверка разделимости сигнатур используя расстояние Джеффриса-Маттусита и оценена точность выполненных классификаций при помощи матрицы ошибок в программе ENVI.
Были рассчитаны площади растительного покрова по территориям с разной степень повреждений, далее по разновременным данным строились гистограммы для анализа изменений растительного покрова.
Был проведен анализ информативности каналов Landsat, в ходе анализа получены результаты: для территорий не имеющих помех в виде дыма, дымки и небольшой облачности (перистые облака) наиболее информативными каналами являются каналы видимого диапазона; для тех в которых имелись помехи наиболее информативными являлись комбинации из двух каналов ИК диапазона и одного канала видимого диапазона.
Была построена карта динамик поверхности поврежденных лесов при помощи математики слоев по формуле Ь1*100+Ь2*10+Ь3, где Ь1 - результат классификации снимка 1989 года; Ь2 - результата 2001 года; Ь3 - результат 2015 года.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
