авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Аспектыисследования растительного покрова на основе лазернойальтиметрии (на примере западногокавказа)

-- [ Страница 2 ] --

Трехмерная модельвысоты растительного покрова (полога леса)в англоязычной литературе известна какnormalized Digital Surface Model (nDSM), Canopy Height Model (CHM), DigitalTree Height Model (DTHM) или Canopy Height Surface (CHS). Однаконаиболее распространено словосочетаниеCanopy Height Model. В отечественной литературе онафигурирует как цифровая модель лесногополога (Медведев, Данилин, Мельников,2007).

Рис. 1. Расположениеэкспериментальных полигонов вКраснодарском крае: Аибга (1), Псехако (2) иФишт (3). Спутниковый снимок ENVISAT MERIS

Для создания CHMнеобходима модель поверхностирастительного покрова, которую в данномслучае можно определить как DSM – Digital Surface Model. Модельстроится как разность DSM–DEM (рис. 2). Методически созданиемодели CHM близко к построению цифровоймодели снежного покрова (Snow Surface Elevation Model),которая исследована нами для одного изэкспериментальных полигонов (Погорелов,Бойко, Ризаев, 2009). Однако если для созданиямодели SSEM проводят как минимум две съемки,для CHM достаточно одной.

 Рис. 2.Цифровые модели «истинной земли» илирельефа (DEM) (а), поверхности -2

Рис. 2.Цифровые модели «истинной земли» илирельефа (DEM) (а), поверхности

растительного покрова(DSM) (б) и высоты растительного покрова (CHM)(в)

Нами наряду с термином«полог леса» употребляется термин«растительный покров». Обращение к термину«полог леса» как эквиваленту английского«canopy» вполне объяснимо, когда воздушноелазерное сканирование целенаправленноприменяется как инструмент исследованияименно леса. Понятие растительного покровашире понятия собственно леса и включаетгорную растительность вне лесной зоны–субальпийскую (криволесье, кустарники,высокотравье) и альпийскую (кустарнички,травянистая растительность и пр.). Точностьсъемки вполне достаточна для фиксациирастений высотой более 30-40 см. Вгеоморфологическом контексте термин«растительный покров» одновременноуказывает на континуальность объектаисследования по ассоциации с непрерывнойземной поверхностью (рельефом).Словосочетание «vegetation cover» используется вработе И.В. Флоринского и Г.А. Куряковой(Florinsky, Kuryakova, 1996), посвященной анализувлияния топографии на свойства растительного покрова.Таким образом, под аббревиатурой CHM намипонимается модель высоты растительногопокрова.

Четвертыйраздел посвященхарактеристике исходных данных – материалов лазернойальтиметрии иливоздушного лазерного сканирования.Последние представлены в виде массиваточек лазерного отражения (табл. 2) скоординатным описанием и сопутствующейинформацией (тип отражения, интенсивностьотражения импульсов и др.). Фактическаяплотность точек по результатам съемкивполне достаточна для построениявысокоточных цифровых моделей.

Таблица2

Объем данных лазернойсъемки экспериментальных полигонов*

Показатели

Экспериментальный полигон

Аибга(S1)

Псехако(S2)

Фишт(N)

NA

5 066735

11 048034

39 619990

PA, точек/м2

3,7

6,2

5,2

NG

1 162970

1 862292

22 720477

PG, точек/м2

0,9

1,1

3
NV

3 903721

9 185736

16 899452

PV,точек/м2

2,8

5,2

2,2

*NA – общее количествоточек лазерных отражений, NG – количество точек,отразившихся от земной поверхности, NV– количество точек, отразившихся отрастительного покрова, PA– средняяплотность всех точек, PG –средняя плотность точек, отразившихся отземной поверхности, PV – средняя плотностьточек, отразившихся от растительногопокрова

В качестведополнительных сведений о земнойповерхности использованы глобальныецифровые модели рельефа SRTM (Shuttle Radar TopographyMission) и ASTER GDEM (Global Digital Elevation Model).

В пятом разделе характеризуется используемоепрограммное обеспечение. Основой анализапослужила полнофункциональная ГИС ArcGIS (ESRIInc., США) с рядом основных (3D Analyst, Spatial Analyst,Geostatistical Analyst, Model Builder) и дополнительных (Hawth'sTools, Arc Hydro Tools, LIDAR Data Handler, Topography Tools) модулей.При обработке ЦМР и расчетеморфометрических характеристикприменялись программные продукты LandSerf (J.Wood, Великобритания), SAGA (Германия), MicroDEM(США).

ГЛАВА 2.МОРФОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЛЬЕФА

В первомразделе рассматриваютсярезультаты расчетов стандартныхморфометрических характеристик рельефа(гипсометрия, крутизна земной поверхности,экспозиция склонов).

На полигоне Аибга снаибольшим диапазоном высот (табл. 1, рис. 3)более 31,8% площади расположено на отметкахниже 1000 м; в интервале от 1000 до 2000 мсосредоточенно около 68,1% площади; выше 2000 мрасположено 0,1% территории. На полигонеПсехако, который расположен симметричноотносительно гребня хребта Псехако, навысотной ступени 1200-1600 м сосредоточенооколо 82,2% площади; выше в интервале 1600-1749 мсосредоточенно 16,9 % площади. На полигонеФишт условные низкогорье (до 1000 м) ивысокогорье (более 2000 м) занимают примерноодинаковую площадь – 1,61 и 1,63 % соответственно; основнаятерритория расположена в диапазонах высот1400-1600 м (30,3% площади) и 1600-1800 м (43,2%).

Рис. 3. Экспериментальныеполигоны Аибга (S1), Псехако (S2) и Фишт (N), показанные способоманалитической отмывки рельефа. Во врезках­–гипсометрические профили вдоль линий наполигонах

Распределение площадиполигонов по крутизне склонов оценивалосьпо построенным картам. Пологие ислабопокатые поверхности с крутизной до100 имеютнаибольшую площадь на полигоне Фишт (10,5%),наименьшую – наполигоне Аибга (3,1%) (табл. 3). Покатые исильно покатые склоны (10-200) на полигоне Фиштохватывают 29,6% площади, на полигоне Аибга– 12,2%; полигонПсехако занимает промежуточноеположение.

Таблица3

Распределение площадиполигонов по крутизне склонов*

Участок

Крутизна склонов, град.

Средняя крутизна, град.

0-10

10-20

20-25

25-30

30-35

35-40

40-50

более50

Аибга (S1)

0,04

0,17

0,14

0,19

0,25

0,23

0,23

0,12

33,1

3,1

12,2

10,2

13,8

18,1

16,9

16,9

8,9

Псехако (S2)

0,11

0,30

0,21

0,23

0,22

0,198

0,202

0,04

27,7

7,5

19,6

14,1

15,0

14,7

13,1

13,4

2,5

Фишт (N)

0,80

2,28

1,25

1,15

0,99

0,60

0,43

0,20

23,9

10,5

29,6

16,2

14,9

12,9

7,7

5,6

2,6

*Единицы измеренияплощади –км2 (числитель)и % (знаменатель)

Крутые (20-450) склоны на всехполигонах доминируют, занимая болееполовины территории. Доля обрывистыхсклонов особенно велика на Аибге (более 9%).Суммарные площади крутых и обрывистыхсклонов, тем не менее, существенно различнына каждом из полигонов, занимая 84,8%, 72,8% и 59,9%соответственно на полигонах Аибга, Псехакои Фишт. Согласно средним значениямкрутизны в целом поверхности всехполигонов относятся к категории крутыхсклонов.

При анализепространственного распределениярастительности, экспозиционный факторчасто рассматривается как ведущий средипрочих морфометрических характеристик.Экспозиция для каждой ячейки ЦМРвычислялась с использованием соседнихячеек в окне 33(метод Kernel), т.е. вмикромасштабе. На полигоне Аибгапреобладают склоны северной экспозиции исмежных румбов (С, С-В, а также С-З) – более 72% общейплощади. Склоны южной экспозиции занимаютвесьма незначительную площадь (0,7%). Дляполигона Псехако характерна относительнаясимметрия между микросклонами северной июжной экспозиции и смежной ориентировки.Значительную площадь занимают склонызападной экспозиции 19,2%. На полигоне Фиштсклоны северной ориентировки (С, С-В и С-З)занимают приблизительно одинаковуюплощадь со склонами противоположнойэкспозиции (Ю, Ю-В, Ю-З) – 35,8 % и 34,8%соответственно. Микросклоны восточной экспозиции имеютнезначительную площадь – чуть более 1%.

Для полноценногоморфометрического описания во втором разделе анализируютсядополнительные показатели – профильная иплановая кривизна поверхности, а также еефрактальная размерность. Привыборе методики построениясоответствующих карт проведенсравнительный анализ расчета профильной иплановой кривизны методамиЗевенбергена–Торна (Zevenbergen, Thorne,1987) и Эванса (Evans, 1972).Предпочтение при построении карт кривизныповерхности отдано методу Эванса как менеечувствительному к экстремальным величинамкрутизны поверхности.

Фрактальнаяразмерность –показатель, который в настоящее времяактивно внедряется в пространственныеисследования, прежде всего, в целяхпознания иерархической структуры рельефа(Пузаченко, 1997; Glenn et al., 2006). Используемыйспособ расчета фрактальной размерностиземной поверхности (Eastman, 1985)представляется оптимальным с позицииустановления иерархического строениярельефа, меры его сложности, выявлениягомогенных областей с характернымигеоморфологическими свойствами намикромасштабном уровне. Установлено, чтофрактальная размерность земнойповерхности на экспериментальныхполигонах варьирует от 2,04 до 2,88.Максимальные значения локализуются восновном на поверхностях обвально-осыпныхсклонов и вдоль тальвегов, где отмечаютсябольшие значения крутизныповерхности.

Для полигона Фиштвыполнены экспериментальные расчетыфрактальной размерности дополнительно поцифровым моделям рельефа, полученнымспособами радарной интерферометрии (SRTM) иклассической фотограмметрическойобработки (ASTER GDEM). Установлено, чтонеодинаковое пространственное разрешениевносит существенный вклад в оценкифрактальной размерности земнойповерхности, о чем свидетельствуютстатистические показатели.

ГЛАВА 3.РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ КАКРЕЛЬЕФОИД

В первом разделе характеризуется растительность впределах исследуемых полигонов. Экспериментальный полигон Фиштнепосредственно примыкает к западнойгранице Кавказского природногобиосферного заповедника; полигоны Аибга иПсехако располагаются на территорииСочинского национального парка.Растительность данных охраняемыхприродных территорий в целом отражаетхарактер растительных сообществполигонов.

Высотно-зональноеизменение растительности иллюстрируетаэрофотосхема полигона Фишт (рис. 4). Навысотах 1400-1600 м в буково-пихтовом лесу (рис.4, фрагмент 2) появляются поляны и прогалины.С приближением к верхней границы леса, вдиапазоне отметок 1600-1800 м, пихтовые лесасменяются березой Литвинова, кленомТраутфеттера, буком, устойчивым кклиматическим условиям высокогорья. Вышеграницы лесной зоны на отметках 1700-2000 мнаходится субальпийское высокотравье (рис.4, фрагмент 3). На высотах 2000-2300 мпростираются безлесные пространстваскальных осыпей, основную флору которыхсоставляют кустарники и кустарнички (рис 4,фрагмент 4).

Рис. 4. Аэрофотосхемаэкспериментального полигона Фишт.Основные типы растительности: 1 – смешанный лес (ниже1300 м), 2 –буково-пихтовый лес с примесью ели (1400-1600 м),3 – субальпийское высокотравье (1600-1800м), 4 –каменистые осыпи с зарослями кустарников икустарничков (1900-2100 м)

Второй раздел посвящен исследованиюрастительности дистанционными методами.Данные спутниковых снимков информативны вобласти классификации леса идешифрировании породного состава. Однако,благодаря высокому разрешению и наличиюкоординаты Z (абсолютная высота),лазерно-локационные данные открываютновые возможности в исследованиирастительного покрова. «Лазерный портрет»лесного покрова (рис. 5) позволяетопределять породный состав вплоть доодного дерева (Barilotti et al., 2009), однакоавтоматизированная обработка большогомассива данных для решения подобной задачинаходится еще на стадии разработкиалгоритмов. Перспективыавтоматизированного дешифрированиядревесных пород и расчета таксационныхпоказателей по материалам лазерногосканирования вполне очевидны.

 Рис. 5.Фрагмент «лазерного портрета» леса вдольпрофиля шириной 5 м на -5

Рис. 5.Фрагмент «лазерного портрета» леса вдольпрофиля шириной 5 м

на экспериментальномполигоне Псехако

Идея исследования лесас применением лазерных сканеров впервыебыла реализована зарубежнымиисследователями в 80-е годы XX в. Концепцияпредполагала оценку целого рядапараметров леса – биомассу, высоту, объем ствола (Nelson etal., 1984; Aldred, Bonnor, 1985; Maclean, Krabill, 1986; Nelson et al., 1988;Currie et al., 1989). Несомненная заслуга вовнедрении этой технологии в исследованиялесного покрова на территории Россиипринадлежит И.М. Данилину и Е.М Медведеву(Danilin, Medvedev, 2004). Именно они детально описалиособенности и преимущества этойтехнологии как инструмента для оценкитаксационных характеристик леса, провелиуспешную верификацию результатовсканирования наземными измерениями(Данилин, Медведев, Мельников, 2005).

Эффективным средствомморфологического анализа растительногопокрова и рельефа является построениепрофилей. Это позволяет выявить некоторыепространственные (высотно-зональные,экспозиционные и др.) закономерностираспределения растительного покрова. Так,на полигоне Аибга отчетливообнаруживается немонотонное уменьшениевысоты растительного покрова сувеличением высоты местности (рис. 6,профили 1а и 2а). На полигоне Фиштобнаруживается отсутствие растительностина гребнях (рис. 6, профили 1в и 2в),объяснение которому можно дать придетальном анализе высотныхзакономерностей. Явно выраженнаяэкспозиционная асимметрия в распределенииCHM на южном и северном мезосклонахнаблюдается на экспериментальном полигонеПсехако (рис. 6, профили 1б и 2б).

Рис. 6. Продольныепрофили DEM и DSM экспериментальных полигоновS1 (1а), S2 (1б) и N (1в). Награфиках 2а, 2б и 2в показаны профили высотырастительного покрова CHM соответственнодля полигонов Аибга, Псехако и Фишт

В третьемразделе рассмотренатехнология автоматизированноготрехмерного моделирования растительности.Первоосновой моделирования являетсяразделение ТЛО на классы точек «истинной»земной поверхности и рельефоидов(растительный покров, снежный покров,объекты застройки и др.). Описанитерационный процесс дешифрированиярастительности с применением процедурфильтрации, генерализации, сгущения сетиточек до требуемой точности. Методикареализована в среде ArcGIS (ESRI Inc., США) ипредставляет собой алгоритм Model Builder.

Полученные результатыпозволяют картографироватьрастительность в виде совокупностиквазиоднородных ареалов (дискретностейили структурных элементов) с различнойплощадью. Выбор площадного цензаустанавливается до обработки и зависит отмасштаба картографирования. В результатеполучается трехмерная модифицированнаяцифровая модель растительного покрова,которая обозначена нами как mCHM (modified CanopyHeight Model).

Четвертый раздел посвящен автоматизированнойсегментации крон деревьев по даннымлазерного сканирования. Под сегментациейпонимается цифровая обработка растровоймодели, в которой однородные смежныеобласти группируются в дискретные объекты(сегменты), или процесс деления изображенияна нераздельные базовые области (Ryherd, Woodcock,1996; Pekkarinen, 2002; Soille, 2003; Turner, 2006). Задачасегментации –установление границ между некоторымиобластями изображения с последующимраспознаванием объектов.

Для этих целейприменены основные алгоритмы обработки:метод ISODATA (Iterative Self-Organising Data Analysis Technique),метод автоматизированной идентификациилинии водоразделов, метод матричнойобработки поверхности (метод Kernel), методпрограммы SCRM (сочетание «методаводоразделов» и матричной обработкиизображения). Оценка качества сегментациипроводилась путем сравнения результатов сисходным облаком лазерных точек, модельювысоты растительного покрова,аэрофотосхемой территории, а также срастром интенсивности отраженныхимпульсов.

Для каждого выделенногосегмента возможны последующие расчетыпроизводных таксационных характеристик(диаметр кроны, высота дерева и др.). Врезультате сегментации установлено, что вусловиях экспериментальных полигоновсредний диаметр крон деревьев варьирует от7 м (Псехако) до 12 м (Фишт).

ГЛАВА 4. РЕЛЬЕФКАК ФАКТОР ПРОСТРАНСТВЕННОГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЯРАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА

Эффект воздействиярельефа на растительный покров, о которомговорится в огромном количествегеографических публикаций (Сукачев, 1928;Мильков, 1953; Florinsky, Kuryakova, 1996; Kruckeberg, 2002;Болысов, 2007; Кофман и др., 2009; и многие др.),следует считать постулатом. Однакоколичественные обоснования такоговоздействия, опирающиеся на конкретныеморфометрические показатели, встречаютсянечасто. Возможно, это объясняетсямеждисциплинарным характером обоснования.Наибольший интерес вызывают региональныеисследования подобного рода, выполненные сприменением цифровых моделей рельефа.

В первомразделе анализируется вкладвысоты местности в распределениерастительного покрова. В пределах полигонаФишт верхняя граница леса располагается вдиапазоне 1600-1800 м. Для исключения влияниятренда высоты местности на статистическиепоказатели растительного покровапоследние оценивались в пределахвыделенных высотных ступеней (табл. 4).Лесопокрытая площадь на высотных ступеняхколеблется от 82 до 10%, закономерно убывая свысотой местности.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.