СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИКИ ПИРОГЕННЫХ СУКЦЕССИЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G01C11/00 

Изобретение относится к области исследования земной поверхности, в частности, с помощью дистанционной съемки летательными аппаратами в комплексе с наземными исследованиями. Из литературных источников [1, 2, 3, 4, 5, 6] известны методы аэрокосмических исследований площади пожаров [2, с. 13, 14], состояния и динамики растительных экосистем, здесь приведены результаты исследований по состоянию растительных сообществ, составу травостоя, продуктивности и связанной с ней площади проективного покрытия почвы [3, с. 37-40], они приводят нормы проективного покрытия [4, с. 11, 12, 42, 44]. В результате, при определении проективного покрытия по данным дистанционной съемки поверхности, можно установить состояние растительных сообществ, а по разновременным данным динамику изменения состояния, приведены этапы комплексной диагностики антропогенной трансформации экосистем [1, с. 5-8] на основе ландшафтно-индикационного анализа изображения космических снимков [6, с. 71-73].

Долговременные исследования [5 с. 167-169] показали, что частые пожары приводят к увеличению обилия злаков, вегетирующих в теплый период года и уменьшение обилия злаков, вегетирующих в холодный сезон, разнотравья и древесной растительности. Сообщества растений в ответ на частые пожары становятся более бедными по видовому составу. Однако общая тенденция сводится к тому, что их обилие и видовое разнообразие уменьшается с увеличением частоты пожаров. Это объясняется как гибелью рано вегетирующих видов до завершения цикла развития и плодоношения, так и редукцией развития и плодоношения поздно вегетирующих видов.

В работе [2] представлена автоматизированная технология интегрированной оценки площади пожаров на основе совместного использования спутниковых данных различного пространственного разрешения, получаемых системами дистанционного зондирования MODIS и Landsat-TM/ETM+. Технология включает получение и комплектование трех типов оценок площади пожаров, отличающихся уровнями оперативности и точности. Оперативная оценка площади пожара основана на пространственно-временной агрегации результатов детектирования действующих пожаров по данным MODIS с пространственным разрешением около 1 км. Последующая уточненная оценка площади пожаров получается за счет дополнительного использования данных MODIS пространственного разрешения 230 м, и предполагает выявление участков поврежденного огнем растительного покрова на основе анализа изменений его спектрально-отражательных характеристик. Наиболее точная оценка площади пожаров основана на дополнительном использовании изображений Landsat-TM/ETM+ с пространственным разрешением около 30 м. Разработанная технологическая схема предполагает комплектование на уровне отдельных пожаров трех различных типов данных путем использования потенциально наиболее точной оценки из всех доступных на текущий момент времени. На основе разработанной технологии реализован модуль оценки пройденной огнем площади.

Известен способ комплексной оценки экологической обстановки в регионе, разбитом на административно-территориальные образования, включающие города, в т.ч. промышленные центры, при котором для сбора данных используют дистанционные методы и проводят локальный мониторинг по показателям качества окружающей среды с определением территорий с нормальной экологической обстановкой, экологического риска, экологического кризиса и экологического бедствия (патент RU №2243554, С1, МПК G01N 33/00), отличающийся тем, что при проведении мониторинга осуществляют оценку изменения во времени показателей качества окружающей среды, при этом для оценки экологической обстановки территории административно-территориального образования используют показатели: площадь деградированных наземных экосистем, в том числе площадь деградированных пастбищ, площадь засоленных почв, площадь эродированных почв, площадь подвижных песков, площадь деградированных сельскохозяйственных и лесных угодий, площадь выведенных из сельхозоборота земель вследствие их деградации, площадь заболоченных почв и др. Недостатком этого способа является выявление площади деградированных угодий и комплексной оценки по ней экологической обстановки без учета пространственного положения территории исследований и ее географических координат.

Известен способ определения состояния пастбищ, подверженных деградации (патент RU №2327107, С1, МПК G01C 11/00) сущность которого состоит в выполнении космической съемки отнесенной к пастбищам земной поверхности в поздний осенний или ранний летний период, преобразовании полученного изображения в цифровой формат, осуществлении компьютерной оценки распределения фототона этого изображения по 256-уровневой шкале серого цвета, выделении контуров пастбищ, вычислении количества пикселей каждого уровня, составляющих изображение пастбища, в определении площади участков пастбища, распределенных по уровням шкалы серого цвета, привязки обработанного изображения к географическим координатам и трансформировании его. По относительной площади проективного покрытия почвы травянистой растительностью проводят оценку деградации пастбищ. Недостатком изобретения является отсутствие определения динамики естественных сукцессий растительных сообществ в условиях воздействии негативных (наносящих ущерб) природных и антропогенных факторов, в том числе пирогенных сукцессий.

Существует способ дистанционного определения антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи (патент RU 2694220, С1, МПК G01N 33/00, G01C 11/00) с использованием вегетационного индекса IPVI=(NDVI+1)/2 в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи, основанный на том, что с помощью летательных аппаратов выполняется дистанционная цифровая геокодированная спектрозональная съемка и при помощи спектрорадиометра производится наземная цифровая спектральная съемка в диапазоне от 320 до 1100 нм, в том числе с разделением на поддиапазоны: 320-380 нм (ультрафиолетовый), 380-440 (фиолетовый), 440-485 (синий), 485-500 (голубой), 500-565 (зеленый), 565-590 (желтый), 590-625 (оранжевый), 625-780 (красный) и 780-1100 (ближний инфракрасный) отнесенной к полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи земной поверхности, а также расположенных в этой полосе эталонных участков доминирующих фитоценозов в летний период, преобразуют полученные спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу, проводят компьютерную оценку распределения отражения энергии этого изображения и сравнивают с данными спектральной наземной съемки эталонного участка с установленным фитоценозом по уровням отраженной энергии, выделяют контуры доминирующих фитоценозов с разделением по уровням вегетационного индекса IPVI, а также контуры поверхности при отсутствии фитоценозов, создают картографические геоинформационные слои контуров фитоценозов по уровням вегетационного индекса IPVI и контуров поверхности при отсутствии фитоценозов, трансформируют такие слои в картографическую проекцию, соответствующую рабочему масштабу карты, устанавливают пространственное размещение и площадь каждого контура, а уровень антропогенной трансформации в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи определяют по формуле Y=ΣS_IPVI(0-0,6)/S_ПО, где ΣS_IPVI(0-0,6) сумма площадей контуров с значениями IPVI от 0 до 0,6; S_ПО - общая площадь полосы отвода, при этом оценку антропогенной трансформации фитоценозов в полосе отвода путей транспорта и линий электропередачи проводят по шкале Y=0,8-1 - полностью трансформированы с разреженным рудеральным фитоценозом, Y=0,6-0,8 - сильно трансформированы с доминирующим рудеральным фитоценозом, Y=0,4-0,2 - слаботрансформированы с доминированием естественных фитоценозов, Y<0,2 - полностью восстановленные естественные фитоценозы. Недостатком этого способа является отсутствие оценки динамики пирогенных сукцессий, и влияния пожаров на скорость восстановления естественных фитоценозов.

Задачей изобретения является оценка динамики пирогенных сукцессий растительности в ландшафтах.

Сущность изобретения заключается в определении динамики растительных сообществ в выделенных контурах пирогенного воздействия на пройденной пожаром территории по разновременным данным дистанционного зондирования, для реализации которого при помощи летательных аппаратов выполняют дистанционную цифровую спектрозональную съемку земной поверхности, пройденной пожаром от его начала до момента восстановления естественных растительных сообществ с периодичностью, соответствующей фазам восстановления растительных сообществ, предварительно на участках - аналогах выполняют фотоэталонирование и геоботанические описания растительности на разновременных гарях в летний период, проводят при помощи спектрорадиометра наземную цифровую спектральную съемку с разрешением 1 нм в диапазоне 320-1100 нм, преобразуют полученные спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу NDVI и альбедо, проводят геоинформационный анализ и классификацию растрового изображения по пикселям, отнесенным к растительным сообществам, неповрежденным и поврежденным в результате воздействия пожара, с учетом данных полевого фотоэталонирования и спектральных измерений отраженной энергии участков с установленным пирогенным повреждением фитоценоза по признаку динамики альбедо, по результатам классификации выделяют контуры таких растительных сообществ с разделением по уровням вегетационного индекса NDVI и альбедо, а также контуры поверхности с естественным отсутствием растительности, создают картографические геоинформационные слои и карты динамики среднего значения альбедо фитоценозов по пикселям в контурах пирогенного повреждения, относительно среднего значения альбедо фитоценоза, не поврежденного пожаром, аналогичного по уровням альбедо, далее устанавливают динамику пирогенных растительных сукцессий по формуле:

(А/А₀)'=(2К₁(К₂-(Т-Т₀)ехр(-(-К₂+(Т-Т₀))^2)/(К₃^2),

где А - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей сгоревшего фитоценоза, А₀ - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей исходного (контрольного) фитоценоза, Т - текущее время, (год), Т₀ - год пожара, К₁, К₂ и К₃ - коэффициенты, учитывающие типы ландшафтов. Так как фитоценозы приурочены к определенным условиям, значения коэффициентов, для полупустынных и пустынных типов ландшафтов приведены в таблице 1.

При этом оценку динамики фитоценозов проводят по средней скорости восстановления относительного альбедо, (А/А0)/год, в контурах пройденных пожаром по категориям 1 - очень динамичные - более 0,040, 2 - динамичные 0,03-0,04, 3 - слабо динамичные 0,02-0,03, 4 - очень слабо динамичные менее 0,02

Способ реализуется следующим образом

Пирогенная сукцессия естественных растительных фитоценозов в различных типах ландшафтов проходит в естественных условиях в результате естественных процессов. При пирогенном воздействии разрушается существующая естественная экосистема. Связано это, как с повреждением надземных частей растений, так и подземных. При этом восстановление естественных растительных фитоценозов зависит от многих факторов. В первую очередь от типа ландшафта и соответствующих климатических условий. Для планирования хозяйственного использования ландшафтов необходим учет их фактического состояния, а для поврежденных пожаром растительных ассоциаций необходимо определить скорость их восстановления. В связи с этим появляется необходимость дистанционного определения динамики растительных сообществ в выделенных контурах пирогенного воздействия на пройденной пожаром территории, в том числе установления скорости восстановления пирогенных сукцессий, с картографированием контуров фитоценозов, пройденных пожаром и контуров поверхности при отсутствии фитоценозов.

Способ дистанционного определения динамики пирогенных растительных сукцессий, при котором используют летательные аппараты, выполняющие периодическую цифровую геокодированную спектрозональную и спектрорадиометрическую съемку естественных ландшафтов, включая растительные сообщества, и аналогичных ландшафтов пройденных пожаром в период наибольшей пожарной опасности по годам восстановления, а также поверхностей при отсутствии растительности, а также спектрорадиометр для наземной цифровой спектральной съемки таких ландшафтов в диапазоне от 320 до 1100 нм, преобразуют полученные спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу NDVI, проводят геоинформационную компьютерную оценку распределения отражения энергии этого изображения и сравнивают с данными спектральной наземной съемки эталонного участка, отличающийся тем, что в ландшафтах контуры растительных сообществ выделяют по уровням отраженной энергии с разделением по уровням вегетационного индекса NDVI и альбедо, контуры поверхности при естественном отсутствии растительных сообществ вычитают из контуров пройденных пожаром, создают картографические изображения контуров растительных сообществ по уровням вегетационного индекса NDVI и по данным радиометрической съемки определяют средний альбедо в контуре, в среде геоинформационной системы трансформируют такие изображения в картографические слои, устанавливают пространственное размещение и площадь каждого контура, для выявления динамики пирогенных растительных сукцессий используют изменение значения среднего альбедо в контурах пройденных пожаром отнесенного к альбедо неповрежденного растительного сообщества, при этом динамику пирогенных растительных сукцессий определяют по формуле:

(А/А₀)'=(2К1(К₂-(Т-Т₀)ехр(-(-К₂+(Т-Т₀))^2)/(К₃^2),

где А - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей сгоревшего растительного сообщества, А₀ - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей исходного (контрольного) растительного сообщества, Т - текущее время, (год), Т₀ - год пожара, К₁ К₂ и К₃ - коэффициенты, учитывающие типы ландшафтов, на основе полученных данных разрабатывают карты распределения скорости альбедо в ландшафтах, пройденных пожарами, а оценку динамики растительных сообществ проводят по средней скорости восстановления относительного альбедо, (А/А₀)/год, в контурах пройденных пожаром по категориям 1 - очень динамичные - более 0,040; 2 - динамичные 0,03-0,04; 3 - слабо динамичные 0,02-0,03; 4 - очень слабо динамичные менее 0,02.

Технический результат: обеспечение дистанционного определения динамики пирогенных растительных сукцессий в ландшафтах при помощи летательных аппаратов и выборочных наземных исследований.

Литература:

1. Андреев Д.Н. Методика комплексной диагностики антропогенной трансформации особо охраняемых природных территорий. / Д.Н. Андреев // Географический вестник №4 (23), 2012. - С. 4-10.

2. Барталев С.А. Оценка площади пожаров на основе комплексирования спутниковых данных различного пространственного разрешения MODIS и Landsat-TM/ETM+ / С.А. Барталев, В.А. Егоров, В.Ю. Ефремов, Е.А. Лупян, Ф.В. Стыценко, Е.В. Флитман // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Т. 9. №2., 2012. - С. 9-26

3. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем / Б.В. Виноградов. - М: Наука, 1984. - С. 37-40.

4. Кормовые ресурсы сенокосов и пастбищ Калмыкии. / Т.И. Бакинова [и др.]. - Ростов - на Дону: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002. - 184 с.

5. Опарин М.Л., Опарина О.С.. Влияние палов на динамику степной растительности / М.Л. Опарин, О.С. Опарина // Поволжский экологический журнал. №2, 2003. - С. 158-171

6. Crippen, R.Е., Calculating the vegetation index faster. Remote Sensing of Environment N 34, 1990, p. 71-73. DOI: 10.1016/0034-4257(90)90085-Z

Изобретение предназначено для определения динамики пирогенных растительных сукцессий. Сущность: на участках-аналогах выполняют предварительное фотоэталонирование и геобатанические описания растительности на разновременных гарях в летний период. Проводят с использованием летательных аппаратов дистанционную цифровую спектрорадиометрическую спектрозональную съемку земных ландшафтов, пройденных пожаром, от его начала до момента восстановления естественных растительных сообществ с периодичностью, соответствующей фазам восстановления растительных сообществ, а также поверхностей при отсутствии растительности. Проводят с использованием спектрорадиометра наземную цифровую спектральную съемки указанных ландшафтов в диапазоне от 320 до 1100 нм. Преобразуют спектрозональные снимки в цветосинтезированные по вегетационному индексу NDVI и альбедо. Проводят геоинформационный анализ и классификацию полученных снимков по пикселям, отнесенным к растительным сообществам, неповрежденным и поврежденным в результате воздействия пожара, с учетом данных полевого фотоэталонирования и спектральных измерений отраженной энергии участков с установленным пирогенным повреждением фитоценоза. Выделяют по результатам классификации контуры указанных растительных сообществ, а также контуры поверхности с естественным отсутствием растительности. Определяют среднее альбедо в контурах. Создают картографические слои и карты динамики среднего значения альбедо фитоценозов в контурах пирогенного повреждения относительно среднего значения альбедо фитоценоза, не поврежденного пожаром, аналогичного по уровням альбедо. Выявляют динамику пирогенных растительных сукцессий по изменению значения среднего альбедо в контурах, пройденных пожаром, относительно альбедо неповрежденного растительного сообщества. Технический результат: дистанционное определение динамики пирогенных сукцессий растительности.

Способ дистанционного определения динамики пирогенных растительных сукцессий, заключающийся в выполнении на участках-аналогах предварительного фотоэталонирования и геобатанических описаний растительности на разновременных гарях в летний период, проведении с использованием летательных аппаратов дистанционной цифровой спектрорадиометрической спектрозональной съемки земных ландшафтов, пройденных пожаром, от его начала до момента восстановления естественных растительных сообществ с периодичностью, соответствующей фазам восстановления растительных сообществ, а также поверхностей при отсутствии растительности, проведении с использованием спектрорадиометра наземной цифровой спектральной съемки указанных ландшафтов в диапазоне от 320 до 1100 нм, преобразовании спектрозональных снимков в цветосинтезированные по вегетационному индексу NDVI и альбедо, проведении геоинформационного анализа и классификации полученных снимков по пикселям, отнесенным к растительным сообществам, неповрежденным и поврежденным в результате воздействия пожара, с учетом данных полевого фотоэталонирования и спектральных измерений отраженной энергии участков с установленным пирогенным повреждением фитоценоза, выделении по результатам классификации контуров указанных растительных сообществ, а также контуров поверхности с естественным отсутствием растительности, определении среднего альбедо в контурах, создании картографических слоев и карт динамики среднего значения альбедо фитоценозов в контурах пирогенного повреждения относительно среднего значения альбедо фитоценоза, не поврежденного пожаром, аналогичного по уровням альбедо, выявлении динамики пирогенных растительных сукцессий по изменению значения среднего альбедо в контурах, пройденных пожаром, относительно альбедо неповрежденного растительного сообщества, при этом динамику пирогенных растительных сукцессий определяют по формуле: (А/А₀)'=(2К₁(К₂-(Т-Т₀)ехр(-(-К₂+(Т-Т₀))^2)/(К₃^2), где А - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей сгоревшего растительного сообщества, А₀ - средний уровень альбедо совокупной площади пикселей исходного растительного сообщества, Т - текущее время (год), Т₀ - год пожара, К₁, К₂ и К₃ - коэффициенты, учитывающие типы ландшафтов, на основе полученных данных разрабатывают карты распределения скорости альбедо в ландшафтах, пройденных пожарами, а оценку динамики растительных сообществ проводят по средней скорости восстановления относительного альбедо (А/А₀)/год в контурах, пройденных пожаром, по категориям: 1 - очень динамичные - более 0,040; 2 – динамичные - 0,03-0,04; 3 - слабо динамичные - 0,02-0,03; 4 - очень слабо динамичные - менее 0,02.