СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЛЕСОВ Российский патент 1995 года по МПК A01G23/00 

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к оперативной разведке лесопатологических участков на различных стадиях поражения насекомыми вредителями или поглощения поллютантов промышленных выбросов в зонах техногенного воздействия.

В лесоводстве, традиционный метод лесопатологического обследования заключается в индивидуальном описании каждого дерева по ряду признаков в пределах обследуемых участков. Характеристику состояния насаждений в целом на пробных площадках проводят по породам, ступеням толщины, визуальным признакам.

Известна оценка состояния по проценту потери хвои, ее некротического повреждения, изменения окраски, усыхания ветвей, суховершинности (см. Воронцов А. И. Мозолевская Е.Г. Соколова Э.С. "Технология защиты леса: M. Экология, 1991 г. стр. 61 табл. 4 аналог). При известном способе оценки по потери хвои выделяют пять категорий состояния 0 0-10% I 11-25% II 25.60% III более 60% IV отмирающие. Сильное варьирование охвоенности кроны у деревьев даже в пределах одной категории состояния, а также невозможность точного учета некротического повреждения хвои, листвы верхней части кроны по наблюдениях с поверхности земли делают данный диагностический способ оценки недостаточно точным. Кроме того, визуально инструментальный пересчет каждого дерева на участке очень трудоемкая процедура. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ интегральной оценки жизненности лесного массива путем расчета "индекса состояния" в баллах. (См. например, Воронцов А.И. Мозолевская Е.Г. Соколова Э.С. "Оценка состояния и устойчивости насаждений в книге "Технология защиты леса", М. Экология, 1991 г. 26, 3.1 стр. 235-237 прототип).

В способе прототипе индекс состояния (ИС) рассчитывается как произведение двух параметров: ИС П Х; где П показатель полноты, учитывающий морфологию (структуру) древостоя, т. е. степень использования древостоем площади биотопа;
Х средневзвешенная охвоенность, (облиственность) древостоя.

Для каждого типа насаждений определенного возраста выделяют нормальную (П 0,7), среднюю (П 0,5-0,6) и низкую (П 0,3-0,4) полноту или сомкнутость крон, которым присваивается оценка в баллах: 1; 0,8 и 0,55; традиционным пересчетом деревьев и измерениями по ступеням толщины вычисляется сумма поперечных сечений их стволов (Q_i) которая приравнивается к 10 баллам. Охвоенность (f_i) как мера жизненности каждого дерева здорового, ослабленного, сильно ослабленного и усыхающего оценивается соответствующими баллами: f₁ 1; f₂ 0,8; f₃ 0,6; f₄ 0,2; f_5,6 0. Доля деревьев каждой категории состояния по ступеням толщины Q₁.Q₆ от Q_i подсчитывается как часть от 10. Тогда средневзвешенная охвоенность определяется суммой произведений следующего вида:
X f₁ Q₁ + f₂ Q₂ + f₃ Q₃ + f₄ Q₄; Диапазон изменения индекса состояния способа-прототипа в различных зонах техногенного воздействия занимает интервал от 9,6 балла (контрольная площадка) до 3,6 балла в зонах сильного угнетения. Известный способ имеет существенные недостатки: он пригоден для одновозрастных, чистых по строению и структуре насаждений. При усложнении структуры насаждений в него необходимо вводить дополнительные коэффициенты;
большая трудоемкость метода, связанная с необходимостью индивидуального пересчета деревьев;
недостаточная оперативность получения результатов;
возможность субъективных ошибок при расчете интегрального критерия и распространении результатов оценок пробных площадок на весь массив.

При деградации лесов существенно изменяется общий объем фитомассы, число стволов на единицу га, численность побегов, сомкнутость подлеска. Динамические признаки повреждения деревьев под влиянием техногенного и антропогенного воздействия совпадают с их физиологической реакцией на воздействие других стрессовых факторов: климатические аномалии, дефицит минерального питания, массового размножения вредителей. Внешние признаки поражения при этом идентичны некроз хвои, уменьшение продолжительности жизни хвоинок, изменение окраски.

Из анализа операций аналога и прототипа следует, что для достижения большей точности определения категории состояния лесного массива необходимо измерять как минимум для биометрических параметра:
параметр, отражающий морфологию или структуру ценоза (полноту, сомкнутость крон);
параметр, характеризующий всю цветовую гамму хвои, листьев.

Причем желательно, чтобы оба эти параметра учитывались бы одновременно при инструментальном измерении какого-то одного, интегрального критерия. Данная задача решается при измерении спектрального коэффициента яркости лесного массива, причем результат измерений является интегральной суммой всей наблюдаемой площади, что сразу исключает субъективность визуальных оценок и ошибки пересчета единичных измерений в суммарный показатель. Связь перечисленных выше биометрических параметров с измеряемой при спектрометрировании величиной и количественная оценка состояния зондируемого лесного массива реализуется последовательностью технологических операций заявляемого способа, формулируемых ниже.

Известно, что в видимом диапазоне рассеяние и поглощение излучения лесными сообществами связано с наличием и концентрацией пигментов, в основном, хлорофилла, каротиноидов, а также содержанием влаги. У зеленых деревьев в результате селективного поглощения хлорофилла формируется спектральная область отражения с двумя минимумами в синем (В) и красном (R) участках спектра. До 95% вариаций коэффициента спектральной яркости ( ρл) в видимом диапазоне обусловлено изменением содержания хлорофилла (см. например, Выгодская Н. Н. Горшкова Н.И. "Теория и эксперимент в дистанционных исследованиях растительности. Л. Гидрометеоиздат, 1987 г. стр. 26). Спектральные коэффициенты отражения хвои, листьев в различных стадиях поражения (вегетации) измеренные в лабораторных условиях иллюстрируются семейством кривых рис.1, где: a) зелено-фиолетовые, б) темно-зеленые, в) светло-зеленые, г) желто-зеленые, д) зелено-желтые, ж) желтые.

Спектр отражения крон деревьев формируется совокупными эффектами отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии отдельными листьями, хвоей, ветвями, побегами. С увеличением залесенности, увеличивается объем фитомассы и поглощение лучистой энергии хлорофиллом и коэффициент спектральной яркости в видимом диапазоне, как правило, уменьшается. Для сообществ с интегральным изображением, фитоценометрическим параметром, характеризующим морфологию (структуру) ценоза, является общее проективное покрытие (ОПП). Проективное покрытие это горизонтальная проекция надземных органов всех растений биоценоза на поверхности почвы. Таким образом, деградация лесного массива, уменьшение числа стволов на га и сомкнутости крон приводит к увеличению коэффициента спектральной яркости, особенно в областях спектра, связанных с поглощением лучистой энергии (красная часть видимого спектра).

Одновременно, в стрессовых ситуациях, происходит разрушение хлорофилла в клетках растений, они приобретают желтоватую окраску. Следовательно оба фитоценометрических параметра как ОПП характеризующий деградацию структуры сообщества и индекс цветности характеризующий разрушение хлорофилла в клетках при техногенном воздействии или других стрессовых ситуациях взаимодействуют синфазно на интегральный показатель коэффициент спектральной яркости. Индикация этих параметров позволяет проводить диагностику внутреннего развития растений, выявлять аномалии на ранних стадиях развития. Среди возможных сочетаний спектральных признаков, авторами установлено, что наиболее информационными (по энтропии) и устойчивыми к вариациям атмосферы, высоты солнца, азимута наблюдения являются хроматические коэффициенты: (g) индекс зелености (жизненности) и (r) индекс красного поражения (см. например, Давыдов В.Ф. и др. "Научно-техническое обоснование комплекса целевой аппаратуры орбитальной станции "МИР" второго этапа (включая автономные платформы) для решения задач мониторинга лесов" ВНИИЦ "Лесресурс, М. 1990 г. стр. 46-47).

Хроматические коэффициенты рассчитываются по следующим зависимостям:
g ;
r ; индекс сине-фиолетости:
b . Перечисленные хроматические коэффициенты охватывают все стадии дигрессии растительных сообществ, количественное их изменение при деградации лесов в зависимости от степени повреждения происходит монотонно. Сумма этих коэффициентов всегда равна единице, поэтому вычисляя два из них, всегда можно восстановить третий: Наибольшую информационную нагрузку имеют индексы (g) жизненности и (r) поражения. Априорно, очевидно, что снижение жизненности лесного массива приводит к возрастанию коэффициента (r) и уменьшению (g). Оценка метрических и информационных характеристик спектральных портретов лесных объектов по введенным хроматическим коэффициентам авторами проводилась на базе комплекса спектрометрической аппаратуры орбитальной станции "МИР" в 1990 г. Дистанционные измерения на борту станции осуществлялись как космонавтом-исследователем Баландиным А.П. так и в режиме телеуправления целевой научной аппаратурой, размещенной на автономной поворотной платформе станции "МИР" по методике, разработанной авторами, реализующей заявляемый способ. (См. например, Программа и методика оперативного обнаружения лесопатологических участков видеоспектрометрами МКС-М, фаза, Гемма, с борта орбитальной станции "МИР", М. НПО "Энергия, 1990 г. 26 стр.).

Степень статистической взаимосвязи между хроматическими коэффициентами (g, r) оценивалась коэффициентом взаимной корреляции K(r,g), который вычислялся по формуле:
K(r,g) , где , средние значения измеряемых коэффициентов σ_g, σ_r и их среднеквадратические отклонения.

Массив зарегистрированных измерений представлен в таблице.

Функция взаимной регрессии хроматических коэффициентов вычисленная по массиву выполненных авторами измерений и соответствующая им координата балльной оценки категории состояния, полученная авторами приведена на фиг.2.

Пунктиром, на графике фиг.2 показана область значений методической ошибки с учетом всех возмущающих факторов, рассчитанная как полный дифференциал от функционала измерений.

Из приведенного графика фиг.2 следует, что для достижения необходимой точности интегральной оценки состояния лесного массива, шкала параметра измерительного прибора должна иметь шаг квантования не более 1/256. Этому требованию удовлетворяют видеоспектрометр станции "МИР" "Гемма-2".

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что он отличается от известного тем, что измеряются параметры не отдельного дерева, а интегральные характеристики оцениваемого участка в целом при одновременном учете как структуры древостоя, так и охвоенности. Причем размеры площади усреднения (интегрирования) могут регулироваться апертурой измерительного прибора. Индекс цветности оценивается не визуально, а экспериментально, с шагом квантования различных оттенок через 2 нм по спектру, что обеспечивает большую точность. Это позволяет утверждать, что заявляемый способ удовлетворяет критерию изобретения "новизна".

Наличие таких признаков, как вновь введенные операции: измерение спектрального коэффициента яркости с дискретностью 2 нм по длине волны, шагом квантования 1/256 по амплитуде, регулирование апертуры измерительного прибора, получение положения измерительной щели на экране цветной обзорной телекамеры, вычисление хроматических коэффициентов по результатам измерения КСЯ (B, G, R), расчет функции взаимной регрессии хроматических коэффициентов, тарирование функции регрессии по интегральному коэффициенту бальности, непрерывное маршрутное измерение состояния лесных объектов за счет сканирования вдоль трассы подспутниковой точки или в режиме отслеживания объектов отработкой заданных уставок автономной платформой станции "МИР", позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

Положительный эффект заявляемого изобретения основан на установлении количественных зависимостей между расчетными значениями хроматических коэффициентов и интегральным показателем состояния лесного массива в баллах, повышении точности оценок за счет автоматического интегрального усреднения по всей зондируемой площади, исключения субъективного фактора, а также оперативности получения результатов и высокой производительности (глобальности) метода.

Заявляемый способ реализуется следующими операциями:
размещают спектрометрический модуль, поле зрения которого и положение щели совмещено с полем зрения цветной телекамеры на автоматической платформе орбитальной станции;
отслеживают заданные районы наблюдения лесных массивов вводом уставок баллистических данных в систему управления автоматической платформы;
измеряют функцию (ρ_λ) коэффициента спектральной яркости зондируемого участка в синем В, зеленом G и красном R участках видимого спектра; с дискретностью не более 2 нм;
квантуют непрерывные значения амплитуд сигналов измеренной функции с шагом квантования не более 1/28;
рассчитывают значения хроматических коэффициентов жизненности (g) и поражения (r) по формулам
g ,
r ,
вычисляют функцию регрессии хроматических коэффициентов и тарируют ее по эталонным измерениям контрольных участков с известными категориями состояния в баллах. Средний наклон функции вычисляется как коэффициент корреляции:
K(r,g) ,
регистрируют расчетные значения r, g на двухкоординатном графопостроителе вместе с сопутствующей информацией (временем съемки и географическими координатами).

передают зарегистрированные маршрутные измерения состояния лесных объектов по трассе подспутниковой точки в сеансах связи с центром управления полетом по факсовой радиолинии для доведения информации потребителям.

П р и м е р. Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 3. На автономной платформе (1) телеуправляемой как из центра управления полетом, так и от бортовой системы управления (2) орбитальной станции "МИР" установлена система "Гемма-2"-видео, в составе стандартной цветной телекамеры ДХС-1800 (3) и спектрометрического модуля МС-03 (4), осуществляющая спектрально-энергетическую регистрацию излучения оптического поля исследуемого объекта (5). Поля зрения телевизионного канала камеры и спектрометрического канала модуля совмещены таким образом, что щель спектрометра и ее положение на поле телекамеры, фиксированно-перемещаемо, как это отображено на фотографии фиг.4, отпечатанной с одного из кадров информации, записанной бортовым видеомагнитофоном. Значения функции коэффициента спектральной яркости зондируемого объекта (5) измеренные в узких интервалах синего (В) зеленого (G), красного (R) участках видимого спектра, поступают для обработки в бортовой информационно-вычислительной комплекс "Стоик" (6).

В состав БВК "Стоик" входят: ЦВП (7) центральный вычислительный процессор и УОТИ (8) отдельный микрокомпьютер с микропроцессором Z-80 A) ЦВП содержит видеопроцессор V-9938 и выполняет функции оцифровки видеоизображения, синхронизацию УОТИ, кодирование полного видеосигнала и наложение компьютерной картинки на видеоизображение, как это иллюстрируется фиг.4. УОТИ осуществляет квантование по амплитуде измеренных значений ρ_λ с шагом 1/256, вычисление хроматических коэффициентов (r, g) а также тарирование их значений по ординате в баллах. Каждый кадр обработанной таким образом информации записывается на бортовой видеомагнитофон "Нива (10) и в кассетах доставляется в ЦУП в экспедициях посещения. Кроме того, каждый кадр обработанных изменений УОТИ выводится на цветной принтер (9), на котором регистрируется непрерывный график интегральной оценки состояния лесных объектов с привязкой по координате и времени наблюдения каждого объекта, зондируемых по всей трассе маршрута орбитального витка. Оперативные данные состояния интересующих потребителя участков леса передаются в сеансах связи с ЦУПом на факсимильной связи радиолинии "Строка" (11).

Используя данную систему измерений можно оперативно осуществлять разведку лесопатологических районов, подверженных вспышкам насекомых-вредителей, оценивать ущерб лесам от различных видов (низовой, верховой) пожаров, оценивать степень техногенного воздействия на обширных площадях. Реализации отдельных измерений, выполненных авторами, приведены в таблице.

Процедуру оценки состояния лесного массива по операциям заявляемого способа, реализованных авторами в алгоритмах БВК "Стоик" станции "Мир", проиллюстрируем на примере отдельного кадра информации, воспроизведенного на фиг. 4. На данном рисунке представлен участок подстилающей поверхности, попадающий в поле наблюдения цветной телекамеры ДСХ-1800 и положение оцениваемого (пробного) участка (положение щели). Результат измерений на каждой спектральной линии, представляющий собой усредненную оценку по всей интегрируемой площади участка с учетом как его цветности, так и морфологии древостоя на фиг.4, отражен графиком непрерывной функции.

С учетом поправок на иллюминатор, вариаций атмосферной дымки, восстановленные (истинные) значения коэффициентов спектральной яркости (в полосе усреднения 10 нм) в каждой из информационных полос B, G, R составляют
ρ ( λ= В) 0,21, ρ( λ= G) 0,42, ρ(λR) 0,18. Расчетные значения хроматических коэффициентов соответственно составили
g 0,515, r 0,222. Сопоставляя пару полученных значений (r, g) с функцией их взаимной регрессии, тарированной по эталонным участкам (см. фиг.2) состояние зондируемого лесного участка оценивается в 7.8 баллов.

Точная привязка результатов измерений по координатам осуществляется как по баллистическим данным (время съемки отпечатывается непосредственно в кадре) углы поворота платформы задаются программой БСУ) так и привязкой обзорного телевизионного снимка к топооснове по специальным реперным меткам на их телеизображении.

Эффективность заявляемого способа значительно повысится при переходе от экспериментальной обработке метода к его плановому многостороннему производственному использованию в лесном хозяйстве страны.

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к лесопаталогическим обследованиям. Сущность изобретения: способ включает выбор интегрального критерия состояния, дистанционное измерение с борта орбитальной станции коэффициентов спектральной яркости зондируемого массива в трех участках видимого спектра с дискретностью 2 нм, квантования амплитуд сигнала с шагом 1/256, расчет хроматических коэффициентов жизненности и повреждения, вычисление функции взаимной регрессии и ее тарирование во всем диапазоне изменений интегрального критерия, непрерывное отслеживание признаков, их запись в координате балльной оценки на бортовом принтере и сброс результатов по факсимильной радиолинии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЛЕСОВ путем определения состояния и наличия хвои на контрольных площадках, определение категории состояния и оценку ее в баллах, отличающийся тем, что зондирование проводят с орбиты искусственного спутника Земли(ИСЗ), с автономной поворотной платформы на которой размещают спектрометрический модуль, поле зрения которого совмещено с полем зрения цветной телекамеры, с орбиты ИСЗ отслеживают заложенные площадки вводом установок баллистических данных в систему управления автономной платформы, измеряют коэффициенты спектральной яркости зондируемой площадки в синем, зеленом и красном участках видимого спектра, квантуют непрерывные значения амплитуд сигналов измеренной функции с шагом квантования не более 1/256, рассчитывают значения хроматических коэффициентов жизненности и повреждения, вычисляют функцию регрессии хроматических коэффициентов и тарируют ее в баллах по измерениям площадок с известными категориями состояния и получают оценку состояния лесных массивов на всей площади наблюдения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчетные значения хроматических коэффициентов и их балльную оценку вместе с географическими координатами площадки регистрируют на бортовом принтере и/или сбрасывают результаты оценок состояния лесов маршрутных площадок по трассе наблюдения по факсимильной или модемной радиолинии потребителям.