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:   || 2 |

Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки космических снимков с целью оценки степени повреждения лесов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 528.8

Королева Наталья Васильевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И

АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ

С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ЛЕСОВ

25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН и в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии

Научный руководитель: кандидат технических наук

Ершов Дмитрий Владимирович

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук

Зверев Анатолий Тихонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Живичин Алексей Николаевич

кандидат технических наук

Стеценко Александр Филиппович

Ведущая организация: Государственный научно-исследовательский и производственный центр «Природа»

(ФГУП «Госцентр «Природа»)

Защита диссертации состоится « » декабря 2009 года в час. на заседании диссертационного совета Д.212.143.01 в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, г. Москва, Гороховский пер., 4, зал заседаний Ученого совета.

C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан «____» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Данные дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли находят свое применение в изучение лесов России с 70-х годов прошлого века. Космические снимки используются для обнаружения и оценки последствий пожаров, контроля вырубок, выявления промышленных загрязнений, мониторинга массового размножения насекомых-вредителей и решения многих других хозяйственных и экологических задач. Однако эффективное использование спутниковых изображений невозможно без соответствующих методов и алгоритмов их обработки.

По мере развития спутниковых систем, когда на смену фотографическим приборам дистанционного зондирования пришли многоспектральные сканеры, значительно расширились свойства принимаемой информации. Современные спутниковые системы получают снимки с высокой оперативностью, ежедневной периодичностью и регулярным потоком данных, что открывает новые возможности для усовершенствования существующих методов и алгоритмов обработки космических снимков.

Наличие длительного периода спутниковых наблюдений, широкого охвата территории, и как следствие обработка большого массива данных, требует минимизации участия экспертов в процессе их тематической интерпретации. На разработку таких, в максимальной степени автоматизированных методов и алгоритмов обработки космических снимков, и были направлены исследования в рамках представленной диссертационной работы.

Цели и задачи исследований. Целью диссертации явилась разработка и исследование методов и алгоритмов обработки космических снимков среднего пространственного разрешения, полученных съемочной системой Terra-MODIS, с целью выявления очагов размножения сибирского шелкопряда и определения степени повреждения лесов этим вредителем. Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:

  • изучение действующих современных спутниковых систем, используемых для дистанционного мониторинга лесов;
  • исследование и анализ существующих методов и алгоритмов обработки космических снимков с целью выявления повреждения лесов, вызванных насекомыми-вредителями;
  • разработка алгоритма предварительной обработки данных наблюдений спектрорадиометра MODIS и формирование наборов спутниковых изображений, очищенных от влияния облачного и снежного покровов;
  • разработка автоматизированного метода обработки многолетних временных серий спутниковых изображений MODIS для детектирования участков повреждения лесов сибирским шелкопрядом;
  • разработка метода обработки спутниковых изображений MODIS для оценки степени повреждения лесов сибирским шелкопрядом;
  • проведение анализа полученных результатов и оценка их точности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

  • впервые предложен автоматизированный метод анализа многолетних разновременных серий спутниковых изображений MODIS для выявления повреждений лесов в результате массового размножения сибирского шелкопряда;
  • разработан метод обработки спутниковых изображений среднего пространственного разрешения MODIS для оценки степени повреждения лесов сибирским шелкопрядом.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

  • автоматизированный алгоритм предварительной обработки данных наблюдений спектрорадиометра MODIS для формирования очищенных от влияния облачности и снежного покрова спутниковых изображений в интересах лесопатологического мониторинга;
  • результаты исследования автоматизированного метода обработки многолетних разновременных серий спутниковых изображений MODIS для детектирования очагов массового размножения сибирского шелкопряда на примере Красноярского края;
  • метод обработки спутниковых изображений среднего пространственного разрешения MODIS с целью оценки степени повреждения лесов сибирским шелкопрядом.

Практическая значимость. Метод детектирования очагов повреждения лесов сибирским шелкопрядом был использован для получения информации о размерах площадей и пространственном размещении поврежденных участков леса в Красноярском крае и Иркутской области в период с 2002 по 2006 гг., что дало возможность сформировать базу данных многолетних наблюдений очагов повреждений в исследуемом регионе. Результаты работы (растровые изображения и векторные слои участков повреждения лесов насекомыми-вредителями) использованы при разработке Блока дистанционного лесопатологического мониторинга (БЛПМ) Информационной системы дистанционного мониторинга лесов (ИСДМ Рослесхоз). Документально подтвержден ввод в опытную эксплуатацию программного комплекса выявления крупномасштабных усыханий лесов от насекомых-вредителей и других факторов непирогенного характера по данным спектрорадиометра MODIS в БЛПМ ИСДМ Рослесхоз, созданного на основе разработанного метода.

Апробация. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались на 7 российских и международных конференциях. На третьей открытой Всероссийской конференции: «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» автор отмечен дипломом за второе место в конкурсе молодых ученых.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 научных работ, 2 из которых помещены в рекомендованных ВАК России журналах. Все основные разработки и исследования методов и алгоритмов и их результаты получены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 140 страниц, включая 29 рисунков, 20 таблиц и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы. Сформулированы основные цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Краткий обзор существующих спутниковых систем и методов дешифрирования космических снимков для выявления повреждений лесов» проанализированы причины и особенности возникновения вспышек сибирского шелкопряда, приведено описание спектрально-отражательных свойств древесной растительности различного состояния, представлен обзор действующих систем спутниковой съемки лесов, а также изучен существующий опыт использования ДДЗ в применении к задачам лесопатологического мониторинга.

Решение различных задач мониторинга лесов требует привлечения адекватных по своим параметрам спутниковых систем дистанционного зондирования исходя из характеристик объектов наблюдения, а именно их пространственных размеров и структуры, особенностей временной динамики и спектрально-энергетических свойств.

Для картографирования лесов на больших территориях используются данные спутниковых систем глобального обзора NOAA-AVHRR и SPOT-Vegetation (1-4 км), позволяющие проводить ежедневный мониторинг и детектирование повреждений лесов насекомыми-вредителями, в том числе сибирским шелкопрядом. Однако, ввиду относительно низкого пространственного разрешения их использование может приводить к значительным погрешностям в оценках покрытой лесом площади на локальном уровне. При этом выявление поврежденных лесов возможно только при наличии очагов размножения насекомых-вредителей на десятки или сотни тысяч гектар.

Данные высокого пространственного разрешения спутников Landsat-TM/ETM+ и SPOT-HRV (10-30 метров) позволяют добиваться более точных оценок и могут быть эффективно использованы для изучения лесов на локальном уровне. Однако ограниченная доступность снимков для сплошного покрытия больших территорий и спектральная изменчивость лесного покрова в течение вегетационного сезона делает затруднительной применение однотипных алгоритмов автоматической обработки спутниковых изображений высокого разрешения и экстраполяцию получаемых результатов на уровень крупных регионов. Использование данных высокого и сверхвысокого разрешения также существенно ограничивается их относительно высокой стоимостью, низкой частотой проведения наблюдений, а также влиянием облачного покрова и дымов от пожаров и т.п., затрудняющих регулярный спутниковый мониторинг повреждений в течение вегетационного сезона.

Более информативными космическими снимками для изучения крупномасштабных процессов в лесах, связанных с массовым размножением насекомых-вредителей по ряду технических характеристик может обеспечить система дистанционного зондирования Terra/Aqua-MODIS. Доступность, свободное распространение, возможность ежедневно наблюдать одну и ту же территорию за счет широкой полосы обзора, большое количество спектральных каналов и три пространственных разрешения от 250 метров до 1 км позволяют одним спутником охватить задачи и регионального и национального масштаба.

Наличие доступного набора спутниковых данных является одним из важнейших факторов, определяющих последующие методы и алгоритмы обработки космических снимков. Возможно использование двух принципиально разных подходов: один из них предполагает использование изображений полученных в некий фиксированный момент времени в процессе или после деструктивного воздействия с последующей их визуальной интерпретацией или автоматической классификацией. Другой подход основан на сопоставлении разновременных изображений, первое из которых получено перед воздействием, а второе после него.

Большинство исследователей в своих методах по оценке повреждения (дефолиации) лесных насаждений применяют алгоритмы управляемой или неуправляемой классификаций изображений. Однако методы классификации изображений позволяют распознавать весьма ограниченное (как правило, не более трех) число классов дефолиации. Данные ограничения возникают в результате низкого пространственного разрешения или недостаточно регулярного поступления спутниковой информации. Другое существенное ограничение связано с необходимостью подготовки репрезентативного набора опорных данных для классификации, сопряженного, как правило, с проведением дорогостоящих авиационных и наземных обследований. Кроме того, большинство методов предусматривает участие эксперта в процессе обработки, а также отсутствие длительного периода спутниковых наблюдений за изменениями в лесном регионе, и, следовательно, отсутствие возможности автоматизации задач.

Основной целью исследований, изложенных в диссертации, является разработка методов и алгоритмов обработки космических снимков, направленных на возможность автоматизации выявления и оценки степени дефолиации лесов, поврежденных сибирским шелкопрядом. Методы выявления поврежденных насекомыми участков леса базируются на анализе многовременных данных спектрорадиометра MODIS, позволяющих проводить ежемесячный мониторинг крупномасштабных изменений в лесах и наблюдать весь ареал повреждений. На начальных этапах обработки спутниковых данных не требуется наличие априорных данных о повреждении.

Во второй главе «Исследование информативных возможностей данных спектрорадиометра MODIS» приведены основные характеристики данных, получаемых съемочной системой MODIS, проведен сравнительный анализ информативности 16-ти дневных и 30-ти дневных композитных изображений, полученных по космическим снимкам MODIS, проанализированы спектральные характеристики объектов наблюдения при дистанционном зондировании лесных территорий. В процессе исследований определена комбинация спектральных каналов и соответствующих им вегетационных индексов, информативных для выявления очагов размножения сибирского шелкопряда. А также исследована межгодовая и сезонная динамика и изменчивость вегетационных индексов поврежденных насекомыми лесов.

Полученные со спутника данные спектрорадиометра MODIS в центрах приема NASA по программе EOS (Earth Observing System) проходят несколько уровней предварительной обработки, результатом которой является набор стандартных производных продуктов спутниковых изображений с улучшенными спектральными характеристиками. Данные с первичным уровнем предобработки представлены в виде ежедневных продуктов, содержащих информацию суточных наблюдений прибора. Из первичных продуктов формируются композитные безоблачные изображения, вегетационные индексы и другие тематические продукты за разные временные интервалы.

В диссертационной работе был проведен сравнительный анализ информативности спектральных каналов 16-ти дневного композитного изображения (продукт NASA MOD13Q1) и 30-ти дневного композитного изображения (продукт ИКИ РАН), созданных из ежедневных первичных продуктов MOD09GQK, MOD09GHK, MOD09GST. Проведенный анализ разделимости объектов близких по спектрально-отражательным характеристикам (гари, вырубки, болота и др.) с повреждениями лесов от сибирского шелкопряда показал, что спектральные каналы 30-ти дневного композитного изображения показывает наилучшую общую разделимость между классами по сравнению со спектральными каналами 16-ти дневного композитного изображения. Это связано с тем, что продукт NASA включает средний ИК канал 2105 – 2155 нм, а продукт ИКИ РАН канал 1628 – 1652 нм. Изучение динамики спектральной яркости лесов до и после повреждений выявило также, что межгодовой анализ композитных изображений, является наиболее информативным по сравнению с внутрисезонным.

По результатам спектрального анализа и на основе существующих методов оценки состояния лесов по космическим снимкам при разработке метода дополнительно с исходными каналами было решено использовать комбинацию выбранных каналов в виде нормализованного разностного вегетационного индекса NDVI и коротковолнового вегетационного индекса SWVI, чувствительных к изменению в состоянии зеленых фракций древесной растительности:

, (1)

, (2)

где R0,65, R0,85 и R1,65 - спектральные каналы композитного изображения MODIS, соответствующие 620-670 нм, 841-876 нм и 1628-1652 нм диапазонам электромагнитного спектра.

Физической предпосылкой для использования представленных индексов является наименьшее отражение света хлорофиллом здоровых растений R0,65 в красной зоне спектра, максимальное отражение неповрежденной растительности NIR0,85 в ближней ИК части спектра, а также низкий уровень отражения светового излучения водой MIR1,65 в среднем ИК спектральном диапазоне, реагирующем на изменение влагосодержания в подстилающей поверхности и в атмосфере.

В третьей главе «Методика обработки космических снимков с целью оценки степени повреждения лесов» представлена методика оценки степени дефолиации лесов сибирским шелкопрядом по данным космической съемки, включающая автоматизированный алгоритм предварительной обработки данных спектрорадиометра MODIS, методы тематической обработки спутниковых изображений для выявления поврежденных лесных территорий и оценки степени дефолиации насаждений. Исследованы взаимосвязи участков повреждений лесов с формами рельефа и удаленностью от дорог для разработки правил отнесения обнаруженных изменений к повреждениям лесов от сибирского шелкопряда.

Оценка степени дефолиации лесов, поврежденных в результате массового размножения насекомых-вредителей, включает в себя три этапа (базовых блока):

1. предварительная обработка спутниковых изображений;

2. детектирование крупномасштабного усыхания;

3. оценка степени повреждения лесных массивов.

В первом блоке производится обработка исходных спутниковых изображений для улучшения их качества и подготовка для последующей тематической обработки.

Во втором проводится выявление участков усыхания лесов и идентификация возможных причин их нарушения, включая территории лесов, непосредственно поврежденные сибирским шелкопрядом.

В третьем блоке на территориях, пораженных сибирским шелкопрядом, производится оценка степени повреждения лесных массивов.

Блок 1. Предварительная обработка разработана для улучшения качества 16-ти дневных композитных изображений, построенных по данным Terra-MODIS. Продукт MOD13Q1 создается по стандартной технологии NASA методом выбора из всего доступного набора измерений за 16 дней максимальных значений NDVI с учетом положения пикселя относительно надира. В результате такого подхода композитное изображение содержит фрагменты облачности и ее тени, снег, лед, дымы от пожаров, отдельные области с более низким разрешением, сбойные измерения датчиков.

С целью минимизации влияния вышеперечисленных недостатков был разработан алгоритм дополнительной обработки продуктов MOD13Q1, состоящий из нескольких этапов (Ершов Д.В., Девятова Н.В., 2005):

  • Маскирование фрагментов облачности, снега/льда, дымов от пожаров на основе экспериментально подобранных порогов на основе анализа спектральных сигнатур яркостей этих объектов;
  • Учет влияния различий в пространственном разрешении на основе анализа вспомогательных данных, характеризующих положение спутника и Солнца в момент съемки;
  • Сглаживание временных композитных серий с учётом маскирующих изображений, отсутствующие из-за сбоев значения во временной серии заполняются линейной аппроксимацией временного ряда.

Выделение облачности, снега, льда, дымов от пожаров выполняется с использованием порогов, подобранных экспериментально на основе анализа спектральных сигнатур яркостей этих объектов. В результате обработки изображения формируется тематический слой, содержащий классы облачности, снега, льда и смешанный класс, объединяющий все три объекта. Земная поверхность свободная от облаков, снега и льда кодируется отдельным классом.

CP1=, (3)

где класс 1 – снег, лед



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.