Особенности лесотаксационного дешифрирования космических снимков

Вырубки дешифрируют по светлому тону (цвету) и четким прямоугольным границам, приуроченности к формам рельефа, лесовозным дорогам (в таежных районах), иногда по недорубам - темным пятнам и зернам на общем светлом фоне изображения или крупномерному подросту. Цветные синтезированные снимки усиливают контраст между вырубками и примыкающими стенами леса. На них более надежно распознают куртины недорубов и некоторые другие особенности вырубок. По цвету можно выделить их части, различающиеся условиями местопроизрастания или находящиеся в различной стадии (по возрасту и преобладающей породе) лесовозобновления.

Гари на черно-белых КС более светлого тона, чем насаждения, обычно они имеют вытянутую в направлении ветров, господствующих в летний период, форму. В освоенных районах гари часто приурочены к дорогам. На цветных спектрозональных КС свежие гари от верховых пожаров имеют темный цвет, а невозобновившиеся гари прошлых лет, как и на черно-белых снимках, изображаются более светлым тоном. Возобновившиеся гари имеют тон (цвет) преобладающей древесной породы.

Болота дешифрируются по прямым признакам - по тону (цвету) и рисунку изображения. По космическим снимкам могут быть определены: конфигурация болот, степень слитности или изолированности отдельных элементов, составляющих болотную систему, закономерности распределения болот по территории. На равнинных территориях, где болота имеют значительное распространение, по комплексу прямых и косвенных признаков выделяются основные типы болот по характеру водного питания (верховые, низинные, переходные). Среди верховых болот различают группы комплексов озерково-мочажинного, грядово-мочажинного и другие участки открытых и залесенных массивов.

Каменистые россыпи, дороги и другие нелесные земли при достаточной их величине распознают по специфическим для них признакам, в основном по цвету и рисунку изображения.

Крупные населенные пункты опознают уверенно практически на всех снимках с разрешением 100м и лучше, а мелкие - по комплексу косвенных признаков (дорожная сеть, улицы с рядовой застройкой, приусадебные участки и др.). При многорядовой застройке они дешифрируются легче, чем при беспорядочной разреженной или рядовой вдоль дороги. Отдельно стоящие сельские дома на КС с разрешением 20м и хуже не опознаются.

Колонные, поле- и почвозащитные леса на КС, особенно увеличенных, дешифрируют по более темному тону (цвету), чем у окружающих нелесных земель. По оврагам, балкам и в долинах рек леса имеют вытянутую неправильную форму. На черно-белых КС по тону, они близки к луговой растительности и водоемам, особенно в днищах балок, но при разрешающей способности КС = 10-20м и контрастности съемочных и особенно многозональных материалов такие леса выделяются достаточно надежно. Полезащитные лесные полосы имеют разную ширину и прямолинейную форму. В некоторых случаях лесные полосы, особенно небольшой ширины, в молодом возрасте сливаются с луговыми или сельскохозяйственными землями.

Дешифрированию космических снимков, так же как и аэрофотоснимков, предшествует изучение признаков дешифрирования конкретных, используемых при выполнении данной работы, съемочных материалов и таксационно-дешифровочная тренировка, которые проводятся на основе типичных выделов - эталонов (пробных площадей) с проведенной измерительно-перечислительной таксацией и материалов прежнего лесоустройства (планы лесонасаждений и таксационные описания). Для анализа признаков дешифрирования на каждую древесную породу и основные категории земель отбирают в среднем по 5 и для тренировки - по 10 выделов.

Ландшафтные признаки дешифрирования изучают по данным натурных исследований, фондовых материалов, анализа АФС и КС. Составляют рабочую таблицу признаков дешифрирования. В ней приводятся: встречаемость групп типов лесорастительных условий и лесообразующих пород, а в каждой из этих групп - приуроченность их к высоте над уровнем моря, рельефу, экспозиции, крутизне склонов; производительность лесообразующих пород в пределах групп типов условий местопроизрастания.

Фотометрические и структурные признаки дешифрирования изучают в выделах, отграниченных на АФС и КС, имеющих данные наземной перечислительной или измерительной таксации. На основе стереоскопического анализа и сравнения фотоизображения с соответствующей шкалой (шкала цветов, эталоны рисунка изображения и др.) для каждого выдела дается оценка цвета, структуры и текстуры изображения, формы и размеров крон или их групп и промежутков между ними и т. д. Результаты анализа признаков дешифрирования заносят в таблицу по преобладающим породам, группам возраста, категориям земель.

Затем проводится тренировка исполнителей, которая заключается в изучении признаков дешифрирования и приобретении навыков распознавания по космическим снимкам основных категорий земель, состава насаждений, групп возраста, типов леса, полноты (сомкнутости полога).

Дешифрированию космических снимков предшествует их подготовка, заключающаяся в отграничении рабочих площадей, опознавании главных точек, нанесении на снимки линий начальных направлений, границ лесхозов, лесничеств, кварталов, вычислении масштаба по прямым отрезкам между опознанными на снимке и топографической карте (лесоустроительном планшете).

Лесотаксационное (лесохозяйственное) дешифрирование проводят, как правило, по максимально увеличенным твердым копиям или изображениям на экране компьютера. При работе с космическими фотоснимками дешифрирование проводят с использованием сканирующих стереоприборов, имеющих 3-5х оптическое увеличение. Оно проводится в несколько этапов. На первом этапе на основе стереоскопического (или на экране компьютера при интерактивном дешифрировании) анализа цветовых (тоновых), морфологических (текстурных), ландшафтных и других признаков дешифрирования отграничивают покрытые лесом земли от не покрытых лесом и нелесных. На последующем этапе производится разграничение выделенных укрупненных участков на таксационные выделы (страты) в соответствии с принятой методикой (инструкцией) легендой. При этом необходимо использовать все имеющиеся фондовые и нормативные материалы: топографические, почвенные, геологические и другие картографические произведения, материалы лесоустройства (планшеты, планы лесонасаждений, таксационные описания, материалы различных обследований, дешифровочные таблицы, уравнения, таблицы зависимостей между таксационными и дешифровочными показателями и т.п.).

Однако, как показывает опыт, для более широкого применения материалов космических съемок в лесное хозяйство и повышения эффективности от их применения, необходимо, наряду со снимками с разрешением 10-30-50-150м, иметь снимки с повышенным пространственным разрешением до уровня, которое имеют применяемые в лесном хозяйстве аэрофотоснимки (1-2м). При этом съемка должна быть многозональной и обеспечивать получение стереоскопических изображений, так как важнейшими показателями леса являются его высота и условия местопроизрастания, которые тесно связаны с рельефом местности. Стоимость космической съемки должна быть ниже стоимости аэрофотосъемки.

В настоящее время мировая практика свидетельствует, что космические системы гражданского назначения нового поколения обеспечивают получение изображений с разрешением 1 -2-5м, правда, преимущественно без соответствующих продольных перекрытий, которые позволяли бы получать стереоизображения. В России также ведутся работы по созданию космических съемочных систем высокого разрешения, как в оптическом, так и в радиодиапазонах. Поэтому можно полагать, что в перспективе космическая съемка будет позволять получать значительно больший объем достоверной информации о лесных экосистемах и протекающих в них процессах.

2. Дешифровочные признаки и методология дешифрирования по космическим снимкам лесопожарной обстановки

Для планирования работ по охране лесов от пожаров органы управления лесным хозяйством и подразделения авиационной охраны лесов от пожаров должны знать метеорологическую и лесопожарную обстановку как в районе нахождения лесных пожаров, так и на всей охраняемой территории. Оперативное получение такой информации обеспечивают космические съемки с метеорологических и ресурсных ИСЗ, с помощью которых снимают одну и ту же территорию несколько раз в течение суток. Практические рекомендации по применению спутниковой информации в охране лесов от пожаров были разработаны в 70-х года специалистами ЛенНИИЛХ. В 90-х гг. они развиты Международным институтом леса и ФГУ «Авиалесоохрана» на основе применения ГИС-технологий и автоматизированных методов анализа и обработки информации.

Рисунок космического изображения передает морфологию географических, лесопирологических (лесные пожары) и метеорологических комплексов. В рисунке изображения отражаются внутренние связи между данными природными комплексами и процессами, происходящими в них, а также пространственное размещение элементов изображения, характеризующихся специфической структурой и текстурой рисунка.

Ровная матовая текстура свойственна открытым участкам водной поверхности, слоистой облачности, туману, шлейфам дыма, задымленным участкам атмосферы, участкам суши с достаточным увлажнением. Зернистая текстура (скопление пятен или зерен светлого или темного тона) характерна для изображения кучевой облачности, но иногда размеры зерен настолько малы, что детали формы отдельных облаков полностью скрадываются. Разновидностью этой текстуры является куполообразная - крупные пятна округлой формы. Куполообразная текстура соответствует изображению мощных кучевых и кучево-дождевых облаков. Волокнистая текстура - волокна, нити, полосы - характерна для перистых облаков и дымовых шлейфов лесных низовых пожаров. Особый тип текстуры -дендритовая - свойствен изображению рельефа суши и наиболее характерен для гор, покрытых снегом или лесом. Объекты лесного ландшафта, дымовые шлейфы, подстилающая поверхность, облачность и др. имеют целый ряд особенностей и требуют определенного навыка в их дешифрировании.

При дешифрировании синоптической и лесопожарной обстановки важное значение имеют тени и тон изображения. Тени иногда очень хорошо передают форму изображенных объектов.

Тон изображения - не что иное, как яркость объекта. В практике при дешифрировании изображения пользуются не абсолютными яркостями, а их соотношениями. Это позволяет различать на снимках большее количество градаций яркости. Однако при дешифрировании изображений, особенно визуальном, необходимо учитывать то обстоятельство, что тоновая и полутоновая гамма яркостей зависит не только от перечисленных факторов, но и от качества изображения на бумажном носителе или на экране компьютера. Согласно методике, которая применяется в системе метеослужбы, при дешифрировании изображения на космических снимках различают несколько градаций относительной яркости:

а) наиболее светлые участки - соответствуют облакам большой вертикальной мощности и плотности, а также свежевыпавшему снегу и ледовым полям;

б) светло-серые участки - районы с неплотной облачностью нижнего или среднего ярусов, а также с тонкой перистой облачностью. Сюда же могут быть отнесены и дымовые шлейфы лесных низовых пожаров, пустыни, снег и лед;

в) темно-серые участки - районы суши, покрытые лесом и другой растительностью;

г) темные участки - моря, океаны, озера, реки, а также свежие гари.

Тон инфракрасных изображений менее изменчив, так как он несет информацию главным образом о различном тепловом состоянии подстилающей поверхности. На цветных синтезированных снимках к тоновым особенностям изображения различных объектов добавляются цветовые, которые характеризуют присущие им особенности.

При дешифрировании синоптической и лесопожарной ситуации по космическим снимкам низкого разрешения полезно пользоваться набором эталонов на изображениях, полученных при тех же атмосферно-оптических и фенологических условиях с дешифрируемыми материалами космических съемок.

Дешифрирование лесных пожаров. Современные спутниковые системы (>ЮАА, МосНз, Метеор) позволяют получать информацию о пожарах с периодичностью 8-12 часов при их размерах в несколько га и более.

Основным дешифровочным признаком пожаров на космических снимках являются дымовые шлейфы, характеризующиеся соответственной формой, яркостью и структурой

При низовых пожарах слабой интенсивности изображения дымовых шлейфов напоминают перистую облачность, однако они легко отличаются от нее характерной конусовидной формой шлейфа, вытянутой по направлению ветра. Яркость шлейфа, максимальная в тыловой части, постепенно убывает к фронту и флангам.

Шлейф крупного низового пожара высокой интенсивности на космических снимках напоминает слоистую облачность, однородную по структуре и яркости. Отличительным признаком такого шлейфа дыма является наличие в тыловой части пожара характерных «языков» или «выступов», связанных с неравномерным его распространением по лесной территории.

Верховые пожары при ветре характеризуются наличием конвекционной колонки, часто на общем фоне шлейфа дыма. Дешифровочным признаком верхового пожара на космическом снимке является наличие светлого пятна, соответствующего положению кучевого облака, венчающего, как правило, конвекционную колонку верхового пожара. Изображение конвекционной колонки аналогично изображению кучево-дождевого облака, поэтому ее дешифрирование требует определенного навыка. В штилевую погоду верхняя часть конвективной колонки очень напоминает изображение мощного кучевого облака, однако, даже при небольшом наклоне легко отличается от него конусовидным основанием, соответствующим положению тыловой части пожара.

Дымовой шлейф торфяного пожара можно отличить от дымового шлейфа низового пожара, если рассматривать снимки, полученные в разное время суток, например, рано утром и днем. Интенсивность горения торфяного пожара мало зависит от времени суток и поэтому даже в ранние утренние часы дымовой шлейф от торфяного пожара на космических снимках хорошо просматривается, в отличие от шлейфа низового пожара, проявляющегося на снимках в основном после 10-12 часов местного времени.

Шлейф дыма от лесного пожара площадью около 100 га на снимке с разрешением 1 км в масштабе около 1:10000000 имеет вид очень тонкого (0,2-0,Змм) конусообразного образования общей длиной 1,0-2,0 см, что соответствует в натуре протяженности шлейфа 100-200км. Пожары большей площади имеют изображения дымовых шлейфов больших размеров, при условии, что в приземном слое атмосферы имеет место ветер, устойчивый по силе и направлению. Дымы небольших лесных пожаров могут быть обнаружены только на космических снимках более высокого разрешения и более крупных масштабов.

Дешифрирование лесных пожаров по дымовым шлейфам значительно облегчается, если сопоставлять снимки данного района, полученные в течение последних нескольких суток и в разных зонах спектра. Анализ снимков в первом случае позволяет проследить динамику развития лесных пожаров, а также дает возможность оценить масштабы и направление распространения задымленной атмосферы, создающей определенные трудности в оперативной работе лесопожарных служб.

Во втором случае, сопоставляя снимки, полученные в видимой и в ближней инфракрасной зонах, можно более уверенно отличать дымовые шлейфы пожаров от перистых облаков. В силу различия в спектральной яркости дымовые шлейфы, хорошо различимые в видимой зоне, почти исчезают на ИК - снимках, тогда как атмосферные облака одинаково хорошо просматриваются как на тех, так и на других снимках.