СПОСОБ ЛЕСОТАКСАЦИИ ТЕРРИТОРИИ Российский патент 2015 года по МПК A01G23/00 

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к дистанционным методам таксации лесов на обширных площадях.

Известны способы оценки состояния насаждений при наземной (натурной) таксации лесов: визуальный (глазомерный); выборочно-измерительный; перечислительный [см., например, Справочник, «Общесоюзные нормативы для таксации лесов», изд-во «Космос», М., 1992 г., стр.180-185, таблицы 60-63 «Шкала оценки категорий состояния деревьев» и «Характеристики категорий состояния насаждений».

Известен способ натурной таксации путем индивидуального пересчета деревьев на пробных площадках, по которому разбивают площадь лесного массива на мозаику участков, проводят измерения таксационных параметров на пробном (ключевом) участке (см., например, Анучин Н.П. Лесная таксация, 5-е издание. - М.: Лесная промышленность, 1962 г., стр.248-250).

Известен способ оценки состояния лесов, по которому осуществляют дистанционные спектрометрические измерения с борта орбитальной станции коэффициентов спектральной яркости зондируемой лесной площади в синем В, зеленом G и красном R участках видимого спектра, затем рассчитывают значения хроматических коэффициентов жизненности (патент RU №2038001).

Наиболее близким к предложенному техническим решением является способ экологического мониторинга лесов, включающий дистанционную регистрацию полей яркости лесной растительности аэрокосмическими средствами, причем дистанционную регистрацию полей яркости лесной растительности осуществляют путем зондирования много- или гиперспектральным датчиком в зеленой G (450-550 нм), красной R (550-670 нм) и ближней инфракрасной БИК (670-950 нм) зонах спектра с одновременным получением цифровых изображений для каждой зоны и проводят математическую обработку полученной информации (патент RU №2406295). Оперативность, производительность и глобальность контроля состояния лесных массивов обеспечивается особенностями космической съемки. Недостатком способа является малая точность получаемых карт пространственного распределения состояний лесотаксационных переменных и отсутствие прямых оценок состояния леса (возраст, запас, высота и т.д.). Поэтому точная лесотаксация на основе предложенных выше способов невозможна.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение точных карт пространственного распределения состояний лесотаксационных переменных при минимизации трудозатрат.

Для решения этой технической задачи предлагается способ лесотаксации территории, по которому осуществляют дистанционное зондирование таксируемой территории в различные сезоны с разрешением 2-40 м по трем-десяти спектральным каналам в диапазоне 0,45-90 мкм, составляют цифровую модель рельефа, разделенную на иерархические уровни, полученные данные формируют в виде базы данных со строчной структурой и пространственной привязкой, в каждой строке которой размещают набор спектральных характеристик по каждому каналу за каждый период и набор иерархических уровней рельефа с их характеристиками, которую классифицируют по иерархической итеративной процедуре К-средних при К=2, с последовательным выделением 2, 4, 8, 16… классов, которые соответствуют типологическим категориям состояния леса на соответствующем иерархическом уровне, полученные классы сравнивают по спектральным характеристикам с заранее заданными устойчивыми спектральными образами типов ландшафтного покрова, выделяют основные соответствия полученных классов заданным типам ландшафтного покрова, выделяют классы, имеющие лесохозяйственную ценность. В каждом классе, имеющем лесохозяйственную ценность, определяют число контрольных точек по соотношению Li=wlog2mi где mi - частота класса i во всей выборке, w - коэффициент точности в зависимости от распространенности типа ландшафтного покрова, a Li - количество контрольных точек внутри класса i, контрольные точки размещают внутри выделенных классов, на контрольных точках проводят лесотаксационные полевые описания, полученными в результате описаний лесотаксационными характеристиками дополняют базу данных, для каждой лесотаксационной характеристики, на основе значений мультиспектральных характеристик и характеристик рельефа, статистическими методами осуществляют интерполяцию ее состояний на всю таксируемую территорию, рассчитывают среднеквадратическую ошибку интерполяции, выделяют по принятой точности гомогенные участки с площадью большей или равной минимальному выделу, определяемому разрядом лесотаксации, для каждого гомогенного выдела рассчитывают среднее значение и среднеквадратическую ошибку каждой лесотаксационной характеристики. Иерархические уровни рельефа получают спектральным анализом цифровой модели рельефа, коэффициент точности выбирают исходя из 3-5 описаний на наиболее распространенный класс и не менее одного на наименее распространенный. Контрольные точки размещают внутри соответствующих выделенных классов с учетом транспортной доступности и удаленности от других точек в том же классе, для участков с неоднозначностью интерполяции лесотаксационных характеристик больше заданного порога проводят дополнительные полевые измерения, интерполяцию и оценку точности интерполяции производят дискриминантным анализом, интерполяцию лесотаксационной характеристики с непрерывным распределением осуществляют построением регрессионной модели зависимости реальных измеренных значений описываемой переменной от осей дискриминантного анализа и рассчитывают их значения для всей области интерполяции.

Реализация предлагаемого способа лесотаксации территории, т.е. получение карт пространственного распределения состояний лесотаксационных переменных, поясняется чертежами и описанием операций в соответствии с предлагаемым способом.

На фиг.1 показана карта распределения запаса древесины в метрах кубических на гектар, на фиг.2 - гистограмма ошибок распознания запасов древесины на территории, на фиг.3 - карта распределения запаса ели в метрах на гектар (в спелых лесах более 450 м³ на 1 га), на фиг.4 - гистограмма ошибок распознания запасов ели, на фиг.5 - карта распределения высоты древостоя (м) по территории, на фиг.6 - гистограмма ошибок распознания высоты древостоя.

Проведена таксация трех лесотаксационных параметров: общий запас древесины, запас древесины конкретной породы (ель), высота древостоя. Таксация проведена на территории Нелидовского района Тверской области. В работе использовались две сцены LANDSAT за апрель и май с агрегированным до 1 га разрешением. Первоначально была произведена опорная классификация методом k-средних. На основе этой классификации были размещены точки полевых описаний в соответствии с методикой. Для удобства точки были размещены в основном на территории Центрального лесного биосферного заповедника и его окрестностей. На каждой точке проводилось определение формулы древостоя и суммы площадей поперечных сечений стволов на 1 га при помощи полнотомера Биттерлиха (использовался прибор Masser Rc3h), а также измерялась высота древостоя (использовалась функция высотометра того же прибора). Всего было сделано 760 полевых описаний. Интерполяция полевых измерений проводилась по снимкам Landsat с помощью дискриминатного анализа. В результате дискриминантного анализа был получен набор дискриминантных осей для каждой таксируемой характеристики. По осям были построены регрессионные модели таксируемых переменных. Таким образом получено континуальное отображение запасов древесины и высоты древостоя. Средняя погрешность в доверительном интервале 0.95 составила: 12% для общих запасов, 23% для запасов ели, 10% для высоты древостоя. Средний запас по району составил 217 м³/га, средний запас ели - 30 м³/га, Средняя высота древостоя составила 19.5 метра. Общий запас древесины по району составил 324551629 м³, запас сосны - 45780478 м³. Запасы спелых участков (более 400 м³/га) составили в целом 20369358 м³, а ели - 5952244 м³. На чертежах приведены пространственные распределения соответствующих лесотаксационных характеристик территории Нелидовского района. Для наглядности запасы древесины и высота древостоя разбиты на группы. Группы общих запасов, имеющие лесохозяйственную ценность, начинаются от ~200 м²/гa, остальные территории обобщены в группу с условно нулевым запасом.

На графиках фиг.2, 4, 6 приведены гистограммы ошибок распознания соответствующих лесотаксационных характеристик. Наибольшие ошибки (0.2-0.4) принадлежат областям с небольшой высотой древостоя (до 10 м) и низкими запасами (до 50 м³), а также областям с отсутствующим древостоем. В целом погрешности согласуются с допусками лесотаксации первого разряда для территорий имеющих лесохозяйственную ценность.

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к дистанционным методам таксации лесов на обширных площадях. Способ характеризуется тем, что осуществляют дистанционное зондирование таксируемой территории с разрешением 2-40 м по трем-десяти спектральным каналам в диапазоне 0,45-90 мкм. Составляют цифровую модель рельефа. Зондирование таксируемой территории осуществляют в различные сезоны. Цифровую модель рельефа разделяют на иерархические уровни. Полученные данные формируют в виде базы данных со строчной структурой и пространственной привязкой, в каждой строке которой размещают набор спектральных характеристик по каждому каналу за каждый период и набор иерархических уровней рельефа с их характеристиками, которую классифицируют по итеративной процедуре K-средних при К=2. Сравнивают спектральные характеристики в полученных классах с заранее заданными устойчивыми спектральными образами типов ландшафтного покрова. Выделяют основные соответствия полученных классов заданным типам ландшафтного покрова. Выделяют классы, имеющие лесохозяйственную ценность. В каждом классе, имеющем лесохозяйственную ценность, определяют число контрольных точек по соотношению Li=wlog2mi, где mi - частота класса i во всей выборке, w - коэффициент точности в зависимости от распространенности типа ландшафтного покрова, a Li - количество контрольных точек внутри класса i. Контрольные точки размещают внутри выделенных классов. На контрольных точках проводят лесотаксационные полевые описания. Полученными в результате описаний лесотаксационными характеристиками дополняют базу данных. Для каждой лесотаксационной характеристики осуществляют интерполяцию ее состояний на всю таксируемую территорию. Определяют точность интерполяции. Выделяют гомогенные участки относительно интерполированных состояний лесотаксационных характеристик. По заданному порогу сходства гомогенные участки меньше принятых минимальных размеров лесотаксационного выдела объединяют с соседними, наиболее близкими по состоянию, участками. Способ обеспечивает точность лесотаксации при минимальных трудозатратах. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ лесотаксации территории, по которому осуществляют дистанционное зондирование таксируемой территории в различные сезоны с разрешением 2-40 м по трем-десяти спектральным каналам в диапазоне 0,45-90 мкм, составляют цифровую модель рельефа, отличающийся тем, что зондирование таксируемой территории осуществляют в различные сезоны, цифровую модель рельефа разделяют на иерархические уровни, полученные данные формируют в виде базы данных со строчной структурой и пространственной привязкой, в каждой строке которой размещают набор спектральных характеристик по каждому каналу за каждый период и набор иерархических уровней рельефа с их характеристиками, которую классифицируют по иерархической итеративной процедуре K-средних при К=2, с последовательным выделением 2, 4, 8, 16… классов, которые соответствуют типологическим категориям состояния леса на соответствующем иерархическом уровне, полученные классы сравнивают по спектральным характеристикам с заранее заданными устойчивыми спектральными образами типов ландшафтного покрова, выделяют основные соответствия полученных классов заданным типам ландшафтного покрова, выделяют классы, имеющие лесохозяйственную ценность, в каждом классе, имеющем лесохозяйственную ценность, определяют число контрольных точек по соотношению Li=wlog2mi, где mi - частота класса i во всей выборке, w - коэффициент точности в зависимости от распространенности типа ландшафтного покрова, a Li - количество контрольных точек внутри класса i, контрольные точки размещают внутри выделенных классов, на контрольных точках проводят лесотаксационные полевые описания, полученными в результате описаний лесотаксационными характеристиками дополняют базу данных, для каждой лесотаксационной характеристики, на основе значений мультиспектральных характеристик и характеристик рельефа, статистическими методами осуществляют интерполяцию ее состояний на всю таксируемую территорию, рассчитывают среднеквадратическую ошибку интерполяции, выделяют по принятой точности гомогенные участки с площадью большей или равной минимальному выделу, определяемому разрядом лесотаксации, для каждого гомогенного выдела рассчитывают среднее значение и среднеквадратическую ошибку каждой лесотаксационной характеристики.

2. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что иерархические уровни рельефа получают спектральным анализом цифровой модели рельефа.

3. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что коэффициент точности выбирают исходя из 3-5 описаний на наиболее распространенный класс и не менее одного на наименее распространенный.

4. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что контрольные точки размещают внутри соответствующих выделенных классов с учетом транспортной доступности и удаленности от других точек в том же классе.

5. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что для участков с неоднозначностью интерполяции лесотаксационных характеристик больше заданного порога проводят дополнительные полевые измерения.

6. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что интерполяцию и оценку точности интерполяции производят дискриминантным анализом.

7. Способ лесотаксации территории по п.1, отличающийся тем, что интерполяцию лесотаксационной характеристики с непрерывным распределением осуществляют построением регрессионной модели зависимости реальных измеренных значений описываемой переменной от осей дискриминантного анализа и рассчитывают их значения для всей области интерполяции.