Помощь студентам в учебе
Определение характеристик хвойных древостоев по данным аэрофотосъемки с БПЛА на примере географических культур лиственницы
|
Введение 4
1 Исходные данные и методы их получения 7
1.1 Объект исследования 7
1.2 Инвентаризация пробной площади с помощью комплекса Field-Map 9
1.3 Аэрофотосъемка с помощью БПЛА 12
1.3.1 Характеристики БПЛА 12
1.3.2 Спектральные камеры MAPIR Survey 2 13
1.3.3 Выполнение аэрофотосъемки 16
2 Обработка данных аэрофотосъемки 17
2.1 Геопривязка изображений 18
2.2 Преобразование форматов и калибровка изображений 2 1
2.3 Компоновка ортофотомозаики 23
3 Применение вегетационных индексов в анализе фенофаз 27
3.1 Фенологические фазы лиственницы 27
3.2 Анализ вегетационных индексов 30
3.3 Зональная статистика индексов по группам деревьев 37
4 Анализ морфометрических показателей 41
4.1 Построение аллометрических уравнений 41
4.2 Пространственный анализ по видам 46
Заключение 50
Список использованных источников 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А Карта пробной площади 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Перечень происхождения лиственницы 58
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вегетационные индексы и их применение 59
1 Исходные данные и методы их получения 7
1.1 Объект исследования 7
1.2 Инвентаризация пробной площади с помощью комплекса Field-Map 9
1.3 Аэрофотосъемка с помощью БПЛА 12
1.3.1 Характеристики БПЛА 12
1.3.2 Спектральные камеры MAPIR Survey 2 13
1.3.3 Выполнение аэрофотосъемки 16
2 Обработка данных аэрофотосъемки 17
2.1 Геопривязка изображений 18
2.2 Преобразование форматов и калибровка изображений 2 1
2.3 Компоновка ортофотомозаики 23
3 Применение вегетационных индексов в анализе фенофаз 27
3.1 Фенологические фазы лиственницы 27
3.2 Анализ вегетационных индексов 30
3.3 Зональная статистика индексов по группам деревьев 37
4 Анализ морфометрических показателей 41
4.1 Построение аллометрических уравнений 41
4.2 Пространственный анализ по видам 46
Заключение 50
Список использованных источников 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А Карта пробной площади 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Перечень происхождения лиственницы 58
ПРИЛОЖЕНИЕ В Вегетационные индексы и их применение 59
Изменчивость лиственницы сибирской изучается на протяжении длительного времени, как в природных популяциях, так и в искусственных насаждениях [1]. В результате многочисленных исследований учеными из разных стран получены результаты экспериментальных материалов и выводов на тему роста лиственницы в различных местах её обитания, от южных границ её ареала до северных районов с многолетней почвенной мерзлотой. В этой теме особый интерес для изучения изменчивости морфометрических признаков и фенологических фаз лиственницы представляет экспериментальная пробная площадь на территории ОЭП «Погорельский бор» Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, на которой в 1969-1970 гг. под руководством ученого- селекционера А.И. Ирошникова был основан уникальный эксперимент высадки нескольких десятков географических культур (климатипов) лиственницы различных мест происхождения (48 групп лиственницы). В этих географических культурах представлены: лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) из лесорастительных провинций Саяно-Алтайской горной области и лиственница Гмелина (L. gmelinii Rupr.) из Забайкальских и Зейских провинций. В посадках также испытывались отдельные происхождения лиственниц Чекановского (L x czekanowskii Szaf.), Каяндера (L. cajanderi Mayr), японской (L. leptolepis Gord) и лиственницы Сукачева (L. sukaczewii Dylis) [2].
В настоящее время благодаря развитию технологий появились принципиально новые возможности для сбора пространственных данных в лесном хозяйстве с помощью современных электронных измерительных приборов, средств геопозиционирования (GPS-приемники), мобильных геоинформационных систем (ГИС) и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). К таким средствам относится программно-аппаратный комплекс Field-Map, с помощью которого в 2016 году была произведена инвентаризация исследуемых климатипов лиственниц для определения их нынешних морфометрических показателей и анализа их характеристик роста (составления аллометрических уравнений). Функции Field-Map позволяют картографировать индивидуальные деревья, измерять их высоту, диаметр ствола на любой высоте и автоматически вычислять объемы стволов деревьев; вычислять площадь древостоев, форму и объем крон деревьев; длины линии, периметры и площади полигонов; проверять достоверность собранной информации и контролировать полноту баз данных во время полевых работ; визуализировать измеренные объекты в трехмерном графическом пространстве; создавать цифровые модели местности, а также решать в полевых условиях множество других задач таксации и инвентаризации, связанных с обработкой баз данных [3].
Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах. Однако разрешения спутниковых данных зачастую не хватает для задач на уровне показателей индивидуальных деревьев в отличии от существующих технологий аэрофотосъемки, которые обладают более высокой точностью и оперативностью. Применение БПЛА особо эффективно, когда необходимо быстро получить точные данные на небольшие по площади территории. Для картирования характеристик географических культур лиственницы были использованы данные съемки пробной площади с БПЛА, оборудованных стандартными камерами в диапазоне съемки RGB и специализированными камерами Mapir Survey 2, включая ближний инфракрасный канал.
В комплексе данные наземной инвентаризации и регулярной аэрофотосъемки пробной площади представляют большой интерес в разработке методов и алгоритмов количественной и качественной оценок древостоев, а также позволяют решать задачи мониторинга в изучении фенологических циклов растительности, в частности листопадных деревьев.
Цель дипломной работы - статистический анализ взаимосвязей морфометрических показателей географических культур лиственницы и различий их фенологических циклов по данным наземной инвентаризации и аэрофотосъемки.
Задачи исследования:
- обзор литературы, методов и программного обеспечения по теме работы, составление плана работы;
- предобработка и систематизация слоев данных аэрофотосъемки сверхвысокого пространственного разрешения с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для пробной площади географических культур (климатипов) лиственницы в ОЭП «Погорельский бор»;
- векторизация контуров крон деревьев пробной площади по данным аэрофотосъемки;
- расчет и анализ площадных характеристик крон деревьев и дополнение базы данных инвентаризации климатипов лиственницы;
- расчет аллометрических уравнений по морфометрическим показателям исследуемых климатипов;
- расчет и анализ основных вегетационных индексов по данным аэрофотосъемки;
- анализ различия фенологических фаз климатипов лиственницы на пробной площади по картам вегетационных индексов.
В настоящее время благодаря развитию технологий появились принципиально новые возможности для сбора пространственных данных в лесном хозяйстве с помощью современных электронных измерительных приборов, средств геопозиционирования (GPS-приемники), мобильных геоинформационных систем (ГИС) и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). К таким средствам относится программно-аппаратный комплекс Field-Map, с помощью которого в 2016 году была произведена инвентаризация исследуемых климатипов лиственниц для определения их нынешних морфометрических показателей и анализа их характеристик роста (составления аллометрических уравнений). Функции Field-Map позволяют картографировать индивидуальные деревья, измерять их высоту, диаметр ствола на любой высоте и автоматически вычислять объемы стволов деревьев; вычислять площадь древостоев, форму и объем крон деревьев; длины линии, периметры и площади полигонов; проверять достоверность собранной информации и контролировать полноту баз данных во время полевых работ; визуализировать измеренные объекты в трехмерном графическом пространстве; создавать цифровые модели местности, а также решать в полевых условиях множество других задач таксации и инвентаризации, связанных с обработкой баз данных [3].
Данные спутниковой съемки содержат полезную информацию, полученную в различных спектральных диапазонах. Однако разрешения спутниковых данных зачастую не хватает для задач на уровне показателей индивидуальных деревьев в отличии от существующих технологий аэрофотосъемки, которые обладают более высокой точностью и оперативностью. Применение БПЛА особо эффективно, когда необходимо быстро получить точные данные на небольшие по площади территории. Для картирования характеристик географических культур лиственницы были использованы данные съемки пробной площади с БПЛА, оборудованных стандартными камерами в диапазоне съемки RGB и специализированными камерами Mapir Survey 2, включая ближний инфракрасный канал.
В комплексе данные наземной инвентаризации и регулярной аэрофотосъемки пробной площади представляют большой интерес в разработке методов и алгоритмов количественной и качественной оценок древостоев, а также позволяют решать задачи мониторинга в изучении фенологических циклов растительности, в частности листопадных деревьев.
Цель дипломной работы - статистический анализ взаимосвязей морфометрических показателей географических культур лиственницы и различий их фенологических циклов по данным наземной инвентаризации и аэрофотосъемки.
Задачи исследования:
- обзор литературы, методов и программного обеспечения по теме работы, составление плана работы;
- предобработка и систематизация слоев данных аэрофотосъемки сверхвысокого пространственного разрешения с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для пробной площади географических культур (климатипов) лиственницы в ОЭП «Погорельский бор»;
- векторизация контуров крон деревьев пробной площади по данным аэрофотосъемки;
- расчет и анализ площадных характеристик крон деревьев и дополнение базы данных инвентаризации климатипов лиственницы;
- расчет аллометрических уравнений по морфометрическим показателям исследуемых климатипов;
- расчет и анализ основных вегетационных индексов по данным аэрофотосъемки;
- анализ различия фенологических фаз климатипов лиственницы на пробной площади по картам вегетационных индексов.
В ходе выполненной работы был проведен анализ морфометрических показателей, их взаимосвязей и различий фенологических циклов географических культур (климатипов) лиственницы на пробной площади в ОЭП «Погорельский бор» Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. Для решения поставленных задач применялись ГИС-данные наземной инвентаризации за 2016 год, а также снимки высокого разрешения, сделанные с помощью аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в периоды вегетационных сезонов 2016 и 2017 годов. Контуры крон деревьев климатипов лиственницы оцифрованы и рассчитаны значения их площади, которые занесены в базу данных инвентаризации пробной площади.
Из набора снимков с БПЛА была создана серия ортофотомозаик, а также произведена их калибровка, что позволило произвести расчет и анализ вегетационных индексов NDVI, SAVI, MSR и DVI за 2017 год. В ходе анализа выявлено, что применение некоторых индексов наилучшим образом подходят для изучения динамики фенофаз деревьев. Для дифференциации объектов (климатипов лиственницы) отлично подходит индекс DVI. Наиболее близкий к NDVI - индекс SAVI, однако он показывает более высокие значения. Наилучшим образом показал себя индекс MSR, с его помощью можно четко прослеживать динамику изменения в фенофазах. В результате сравнения индексов, были сделаны выводы, что лучшие индексы в решении поставленных задач - MSR и SAVI.
На основе анализа серии карт пространственного-временной динамики вегетационного индекса SAVI выявлены группы климатипов лиственницы на исследуемой пробной площади, имеющие существенные различия дат начала вегетационного сезона (фенофаз) в 2017 году, к которым относятся вид лиственницы Гмелина.
В работе были представлены основные аллометрические зависимости морфометрических показателей климатипов лиственницы через регрессионные уравнения, по которым можно сделать вывод, что некоторые виды лиственницы имеют характерные морфометрические отличия.
Таким образом, поставленные задачи решены в полном объеме, цель работы достигнута.
Из набора снимков с БПЛА была создана серия ортофотомозаик, а также произведена их калибровка, что позволило произвести расчет и анализ вегетационных индексов NDVI, SAVI, MSR и DVI за 2017 год. В ходе анализа выявлено, что применение некоторых индексов наилучшим образом подходят для изучения динамики фенофаз деревьев. Для дифференциации объектов (климатипов лиственницы) отлично подходит индекс DVI. Наиболее близкий к NDVI - индекс SAVI, однако он показывает более высокие значения. Наилучшим образом показал себя индекс MSR, с его помощью можно четко прослеживать динамику изменения в фенофазах. В результате сравнения индексов, были сделаны выводы, что лучшие индексы в решении поставленных задач - MSR и SAVI.
На основе анализа серии карт пространственного-временной динамики вегетационного индекса SAVI выявлены группы климатипов лиственницы на исследуемой пробной площади, имеющие существенные различия дат начала вегетационного сезона (фенофаз) в 2017 году, к которым относятся вид лиственницы Гмелина.
В работе были представлены основные аллометрические зависимости морфометрических показателей климатипов лиственницы через регрессионные уравнения, по которым можно сделать вывод, что некоторые виды лиственницы имеют характерные морфометрические отличия.
Таким образом, поставленные задачи решены в полном объеме, цель работы достигнута.