Способ количественной оценки степени трансформации ландшафтов под воздействием природных и техногенных деструктивных факторов Российский патент 2024 года по МПК G01J3/28 G06V20/13 

Изобретение относится к экологии и методам анализа данных дистанционного зондирования, а именно к способу количественной оценки трансформации ландшафтов под воздействием природных или техногенных деструктивных факторов.

Существует выбранный за прототип способ классификации нарушенности растительности и напочвенного покрова на основе динамики аномалии теплового фона в летний период по спутниковым измерениям в инфракрасном диапазоне [патент RU 2789989 C1, МПК G01J5/60, опубл. 14.02.2023, бюл. №5], который позволяет классифицировать нарушенность растительности и живого напочвенного покрова на участках после природных, антропогенных или техногенных воздействий с использованием статистических данных о динамике относительных аномалий теплового фона подстилающей поверхности по спутниковым измерениям в инфракрасном диапазоне спектра. Способ позволяет на качественном уровне определить три степени нарушенности территорий, описываемые категориями «Умеренная», «Высокая», «Значительная». Это является основным недостатком способа, потому что результат не позволяет количественно характеризовать площадь трансформации ландшафтов под воздействием деструктивных факторов.

Кроме того, информативность способов контроля нарушенности растительных покровов отдельных ландшафтов повышается при сопряженном анализе аномалий теплового состояния поверхности и аномалий вегетационных (хлорофильных) индексов, так как разные варианты трансформации ландшафтов после воздействия природных или техногенных факторов имеют различный временной лаг проявления дешифровочных признаков в разных диапазонах спектра. Так, временной лаг чувствительности вегетационных индексов к нарушенности растительного покрова составляет не более 7 лет в случае успешности восстановительных процессов, временной лаг информативности тепловых аномалий может достигать 20 и более лет. Таким образом, ограничения, связанные с временным лагом информативности различных вариантов спектральных признаков, являются еще одним недостатком прототипа и иных подобных технологий для реализации целей долговременного экологического контроля состояния ландшафтов после воздействия природных или техногенных деструктивных факторов.

В предлагаемом способе количественной оценки трансформации ландшафтов под воздействием природных или техногенных деструктивных факторов по относительным аномалиям спектральных индексов, вычисляемых на основе мультиспектральных спутниковых данных в границах наложенных на снимок ячеек регулярной сетки, такие недостатки отсутствуют, так как в способе предложено использовать два варианта спектральных индексов, анализируя аномалии теплового состояния поверхности по индексу LST, вычисляемому по данным в ИК диапазоне 10,0–13,0 мкм, и аномалии вегетационного (хлорофильного) индекса NDVI, вычисляемого по спутниковым данным в видимой красной 0,620–0,670 мкм и в ближней инфракрасной 0,841–0,876 мкм областях спектра, с последующим количественным определением процента территории с признаками трансформации по калибровочным графикам линейной регрессии связи уровня аномалий спектрального вегетационного индекса NDVI и индекса температуры подстилающей поверхности LST с площадью трансформации, выраженной в процентах по отношению к общей площади ландшафта.

Техническим результатом изобретения является оценка степени трансформации подстилающей поверхности исследуемого ландшафта, выраженная в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта.

Технический результат достигается тем, что количественная оценка площади трансформации ландшафтов под воздействием природных или техногенных деструктивных факторов выполняется на основе анализа относительных аномалий спектральных индексов NDVI и LST, вычисляемых на основе мультиспектральных спутниковых данных для ячеек регулярной сетки, программно наложенной на многоспектральные спутниковые снимки ландшафта, выполненные в ИК диапазоне 10,0–13,0 мкм, в видимой красной 0,620–0,670 мкм и в ближней инфракрасной 0,841–0,876 мкм областях спектра, с последующим определением процента территории с признаками трансформации по калибровочным графикам линейной регрессии связи уровня аномалий индексов NDVI и LST с долей общей площади трансформации растительности и живого напочвенного покрова.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что количественные оценки площади трансформации ландшафтов под воздействием природных или техногенных деструктивных факторов выполняются на основе анализа относительных аномалий спектральных индексов NDVI и LST, вычисляемых на основе мультиспектральных спутниковых данных для ячеек программно наложенной на снимок сетки, с последующим определением процента территории с признаками трансформации по калибровочным графикам линейной регрессии связи уровня аномалий индексов NDVI и LST с площадью трансформации, выраженной в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта.

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг. 1 представлен вариант программного наложения ячеек регулярной сетки на спутниковое изображение для последующего определения в границах ячеек аномалий спектральных индексов в сравнении с фоновыми значениями. На фиг. 2 представлен калибровочный график линейной регрессии связи уровня аномалий с площадью трансформации, выраженной в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта, с маркировкой диапазона значений, характерных в условиях преобладания природных факторов (А) и техногенных факторов (Б) трансформации.

Сущность изобретения заключается в том, что на основе значений аномалий спектральных признаков подстилающей поверхности, вычисляемых как относительные отклонения значений вегетационного индекса (NDVI_i) и температуры подстилающей поверхности (LST_i), усредненных для каждой i–ой ячейки регулярной сетки из данных спутниковой съемки летнего периода в видимом 0,620–0,670 мкм, ближнем инфракрасном 0,841–0,876 мкм и тепловом 10,0–13,0 мкм диапазонах спектра, к значениям этих индексов в фоновых ячейках сетки, определяется линейно связанная с зафиксированным уровнем аномалии площадь трансформации подстилающей поверхности, характерная для каждой ячейки регулярной сетки, в соответствии с калибровочным графиком линейной регрессии связи уровня аномалий с площадью трансформации, выраженной в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта.

Способ осуществляют следующим образом.

В границах анализируемого ландшафта программными средствами накладывается регулярная сетка заданного линейного размера ячеек, сопоставимого с линейным размером природных и техногенных нарушений. Для каждой ячейки сетки по данным спутниковой съемки летнего периода в видимом 0,620–0,670 мкм, ближнем инфракрасном 0,841–0,876 мкм и тепловом 10,0–13,0 мкм диапазонах спектра вычисляют средние значения вегетационного индекса (NDVI_i) и температуры подстилающей поверхности (LST_i). Рассчитывают уровень относительного отклонения значений спектральных индексов NDVI_i и LST_i в каждой ячейке сетки по отношению к значениям, характерным для фонового состояния подстилающей поверхности без признаков нарушенности исследуемого ландшафта. Далее используют калибровочные графики, по которым для выявленного уровня аномалий спектральных индексов NDVI и LST определяют площадь трансформации подстилающей поверхности, выраженную в процентах по отношению к площади исследуемого ландшафта, при этом соответствие основано на линейной связи уровня аномалий с площадью трансформаций. В результате получают количественную оценку площади трансформации для каждой ячейки сетки и в целом для анализируемого ландшафта.

Пример расчёта.

1. На спутниковом снимке в тепловом 10,0–13,0 мкм диапазоне спектра в i-ой ячейке сетки (Фиг. 1) среднее значение температуры составило 25°С, при этим в соседних ячейках, соответствующих фоновому состоянию подстилающей поверхности, среднее значение температуры составило 20°С. Аномальное превышение относительно фона LST_i = (25–20)/25*100%=20%. По калибровочному графику (Фиг. 2, T₁) находим для i-ой ячейки соответствующее значение (95%) площади трансформации, выраженное в процентах к площади ячейки.

2. На спутниковом снимке летнего периода в видимом 0,620–0,670 мкм, ближнем инфракрасном 0,841–0,876 мкм диапазонах спектра в i-ой ячейке сетки (Фиг. 1) среднее значение вегетационного индекса составило 0,5, при этим в соседних ячейках, соответствующих фоновому состоянию подстилающей поверхности, среднее значение вегетационного индекса было близко к максимуму – 0,55. Следовательно, в i-ой ячейке с признаками трансформации аномалия признака относительно фона составляет NDVI_i = 100%–(0,55–0,5)/0,55*100%~90%, т.е. занижение составляет 10%. По калибровочному графику (Фиг. 2, T₂) находим для i-ой ячейки соответствующее значение (6%) площади трансформации, выраженное в процентах к площади ячейки.

Способ обеспечивает по сравнению с существующим прототипом следующие преимущества:

– позволяет на основе многоспектральных дистанционных данных получить количественную оценку степени трансформации ландшафтов, выраженную в процентах по отношению к площади исследуемого ландшафта;

– позволяет снять ограничения, связанные с ограниченным временным лагом информативности различных вариантов спектральных индексов, анализируемых раздельно, в целях долговременного экологического контроля состояния ландшафтов после воздействия природных или техногенных деструктивных факторов;

– открывает возможность разработки автоматизированных решений для мониторинга территорий и ландшафтов на основе спутниковых данных в целях экологического контроля.

Изобретение относится к области экологии и анализа данных дистанционного зондирования и касается способа количественной оценки трансформации ландшафтов под воздействием природных и техногенных деструктивных факторов. Количественная оценка площади трансформации ландшафтов выполняется на основе анализа относительных аномалий спектральных индексов NDVI и LST, вычисляемых на основе мультиспектральных спутниковых данных для ячеек регулярной сетки, программно наложенной на многоспектральные спутниковые снимки ландшафта, выполненные в ИК-диапазоне 10,0–13,0 мкм, в видимой красном диапазоне 0,620–0,670 мкм и в ближнем инфракрасном диапазоне 0,841–0,876 мкм, с последующим определением площади с признаками трансформации по калибровочным графикам линейной регрессии связи уровня аномалий NDVI и LST с долей общей площади трансформации растительности и живого напочвенного покрова, выраженной в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта. Технический результат заключается в обеспечении возможности долговременного экологического контроля состояния ландшафтов и количественной оценки степени трансформации ландшафта в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта. 2 ил.

Способ количественной оценки степени трансформации ландшафтов под воздействием природных и техногенных деструктивных факторов, отличающийся тем, что количественная оценка площади трансформации ландшафтов под воздействием природных или техногенных деструктивных факторов выполняется на основе анализа относительных аномалий спектрального индекса NDVI и индекса температуры подстилающей поверхности LST, вычисляемых на основе мультиспектральных спутниковых данных для ячеек регулярной сетки, программно наложенной на многоспектральные спутниковые снимки ландшафта, выполненные в ИК-диапазоне 10,0–13,0 мкм, в видимом красном диапазоне 0,620–0,670 мкм и в ближнем инфракрасном диапазоне 0,841–0,876 мкм, с последующим определением площади с признаками трансформации по калибровочным графикам линейной регрессии связи уровня аномалий индексов NDVI и LST с долей общей площади трансформации растительности и живого напочвенного покрова, выраженной в процентах по отношению к общей площади исследуемого ландшафта.