CC BY
280
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ, ФОТОГРАММЕТРИЯ
УДК 528.852.8
ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ ЛЕСНЫХ РУБОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СНИМКОВ С РОССИЙСКОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА «РЕСУРС-П» № 1
Владимир Александрович Хамедов
Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий, 628011, Россия, г. Ханты-Мансийск, ул. Мира, 151, руководитель регионального центра космических услуг, тел. (3467)35-91-39, e-mail: [email protected]
Борис Тимофеевич Мазуров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. (383)343-29-11, e-mail: [email protected]
Описаны некоторые результаты по осуществлению Государственной программы «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы». В центре космических услуг Ханты-Мансийского автономного округа - Югры разработана система спутникового мониторинга состояния лесных экосистем, задачами которой является обеспечение контроля за состоянием лесных территорий дистанционными методами, в том числе обнаружение и картографирование лесных рубок. Проведена работа по оценке точности площадей, определяемых с применением данных дистанционного зондирования Земли среднего пространственного разрешения на основе сравнения с данными космической съемки высокого пространственного разрешения с российского космического аппарата «Ресурс-П» № 1. Установлено, что оценка определения площади объектов в различных тематических задачах картографирования и мониторинга изменений по данным «Landsat-8» может быть осуществлена с достаточной точностью при площадях наблюдаемых объектов более 10 га.
Ключевые слова: дистанционный мониторинг, космические снимки, система спутникового мониторинга, площадь лесной рубки, «Landsat-8», «Ресурс-П».
EVALUATION OF THE ACCURACY OF DETERMINING AREAS OF FOREST FELLING USING IMAGES FROM THE RUSSIAN SATELLITE «RESURS-P» № 1
Vladimir A. Khamedov
Ugra Research Institute of Information Technologies, 628011, Russia, Khanty-Mansiysk, 151 Mira St., Head of the Center for Space Services, tel. (3467)35-91-39, e-mail: [email protected]
Boris T. Mazurov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor of Department Physical Geodesy and Remote Sensing, tel. (383)343-29-11, e-mail: [email protected]
Describes some results on the implementation of the State program «Development of forestry for 2013-2020». In the center of space services of the Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug-Ugra developed a system of satellite monitoring of the state of forest ecosystems, focused on the justification of state control of forest areas using remote methods, including the detection and mapping of forest cuttings. Work has been done to evaluate the accuracy of the areas determined with the use of data of remote sensing medium spatial resolution based on the comparison with satellite imagery of high spatial resolution from russian satellite «Resurs-P» № 1. It is established that the assessment of determining the area of objects in various thematic applications of mapping and monitoring changes according to the data of «Landsat-8» can be carried out with sufficient accuracy when the observed objects areas over 10 ha.
Key words: remote monitoring, satellite imagery, satellite monitoring system, the area of forest cutting, «Landsat-8», «Resurs-P».
Экологическое состояние территории обусловливает как общую концепцию хозяйственного использования территории, так и множество частных вопросов (развитие либо сокращение тех или иных отраслей промышленности, комфортность проживания населения, особенности рекреационного использования территории и пр.) [1]. Эффективным средством наглядного и обобщенного представления экологической обстановки в пределах конкретной территории являются интегральные экологические карты, цифровые карты [2, 3]. Разнообразие видов и большие объемы информации о природных ресурсах предполагают использование и совершенствование геоинформационных систем [4]. При картографировании используются различные информационные источники, например аэрокосмические снимки [5].
Данные дистанционного зондирования Земли и результаты их тематической обработки в настоящее время получают все большее практическое использование [6] при осуществлении контрольно-надзорной функции различными природоохранными организациями. В задачах тематического дистанционного мониторинга наибольшую популярность получили космические снимки среднего пространственного разрешения с космического аппарата (КА) «Landsat-8». Массовое использование [7-10] космических снимков с данного аппарата основано на доступности информации, относительно высокой (от 16 суток) частоте повторного получения информации, наличием нескольких спектральных диапазонов съемки и широкой (185 км) полосой обзора.
В Российской Федерации действует Государственная программа «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы» с общим объемом бюджетных ассигнований 526,7 млрд. руб. Цель программы - повышение эффективности использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов, обеспечение стабильного удовлетворения общественных потребностей в ресурсах и полезных свойствах леса при гарантированном сохранении ресурсно-экологического потенциала и глобальных
функций лесов. Научной и методической основой достижения поставленной цели являются некоторые активно развивающиеся исследования [11-22].
В рамках выполнения программы определено решение следующих задач:
1. Обеспечение баланса выбытия и восстановления лесов, повышение продуктивности и качества лесов.
2. Повышение эффективности управления лесами.
3. Создание условий для ведения интенсивного лесного хозяйства при сохранении их экологических функций, а также повышение эффективности контроля за использованием и воспроизводством лесов.
4. Сокращение потерь лесного хозяйства от пожаров, вредных организмов и незаконных рубок.
В центре космических услуг Ханты-Мансийского автономного округа -Югры разработана система спутникового мониторинга состояния лесных экосистем [23], задачами которой является решение ряда задач в области контроля за состоянием лесных территорий дистанционными методами, в том числе обнаружение и картографирование лесных рубок. На рис. 1 представлен пример обработки космического снимка среднего пространственного разрешения «ЬапёБа1;-8» с обнаруженными лесными рубками в границах Няксимвольского лесничества, расположенного на территории Ханты-Мансийского автономного округа. Красным цветом на рисунке выделены лесные участки, на которых были произведены рубки леса в интервале времени между 01.12.2014 г. и 19.02.2015 г. При этом для каждого участка лесной рубки можно определить площадь вырубки с точностью, зависящей от пространственного разрешения космического снимка.
Целью данной статьи является оценка точности расчета площадей лесных рубок, определяемых по данным космической съемки среднего пространственного разрешения, на основе сравнения с результатами расчета по космическим снимкам высокого пространственного разрешения с российского КА «Ресурс-П» № 1.
КА «Ресурс-П» № 1 принят в штатную эксплуатацию 01.10.2013 г. Аппарат предназначен для проведения высокодетального наблюдения поверхности Земли [24]. Установленная на КА «Ресурс-П» № 1 съемочная аппаратура «Гео-тон-Л1» позволяет получать снимки с пространственным разрешением 0,7 метров в пикселе, что в 21,4 раза выше пространственного разрешения снимков с КА «ЬапёБа11-8».
Ошибка определения площади по космическому снимку среднего пространственного разрешения связана с низкой дискретизацией изображения, при которой один пиксел на таком снимке соответствует более чем 400 пикселам на снимке высокого разрешения. При этом линейная ошибка определения границы лесной рубки может достигать значения ±15 метров. На рис. 2 представлены изображения участков рубок (светлые участки на рисунке), полученные с КА «ЬапёБа1;-8» и КА «Ресурс-П» № 1 и совмещенные с сеткой, размер ячейки которой соответствует пикселу изображения с КА «ЬапёБа1;-8».
О 2,5 5 10 км |-1-1-I-1-1-1-1-1
Рис. 1. Изображение лесных рубок на космическом снимке среднего пространственного разрешения
Для выполнения работы были подобраны космические снимки с КА «Ьапёва11-8» и КА «Ресурс-П» № 1, с датами съемки 19.02.2015 г. и 06.04.2015 г. соответственно. На снимках определена область интереса общей площадью 78 тыс. га, в границах которой подобрано 53 тестовых участка лесных рубок различной площади. Для сравнения выбраны участки существующих лесных рубок, площади которых в указанный временной интервал не изменялись.
Для каждого участка средствами геоинформационных систем произведен расчет площади лесной рубки по снимкам среднего и высокого пространственного разрешения. На рис. 3 представлен фрагмент космического снимка «Ресурс-П» № 1 с обозначением определенных границ рубок. Красным контуром на рисунке обозначены границы рубок, определенные по данным среднего пространственного разрешения, желтым - по данным высокого пространственного разрешения.
1
III
!■ I
1
к-С--!-б* л . г
>1 >1
зми
Ш11
тан
ЯП «■■I
¡., VI а
т. 1 МИГ и
г г Ч:
ш \ \ V
0,05
0,1 —+—
0,2 км —I
а) б)
Рис. 2. Фрагмент изображения лесных рубок на космических снимках: а) среднего пространственного разрешения; б) высокого пространственного разрешения, совмещенного с матрицей пикселов изображения КА «Ьапёва1-8»
Рис. 3. Фрагмент изображения лесных рубок на космическом снимке КА «Ресурс-П» № 1 с отображением границ лесных рубок
Результаты сравнительной оценки определения площадей лесных рубок по 53 тестовым участкам представлены в таблице.
Таблица
Сравнительная оценка определения площади лесных рубок
№ п/п Площадь участка, га Ошибка № п/п Площадь участка, га Ошибка
«Ьапёва1;-8» «Ресурс-П» определения «Ьапёва1;-8» «Ресурс-П» определения
площади, га площади, га
1 0,612 2 1,055 1 0,442 9 28 11,853 5 14,889 1 3,035 6
2 0,433 0 1,104 2 0,671 2 29 15,748 1 14,945 0 -0,803 1
3 0,277 4 1,114 6 0,837 2 30 14,791 4 15,931 4 1,140 0
4 0,580 4 1,814 2 1,233 8 31 16,111 7 16,811 9 0,700 2
5 2,724 9 3,442 9 0,718 0 32 15,386 0 17,195 8 1,809 7
6 3,457 9 3,542 2 0,084 3 33 17,634 0 17,648 4 0,014 4
7 3,859 7 4,093 3 0,233 6 34 16,533 5 17,895 2 1,361 6
8 4,558 1 4,449 3 -0,108 8 35 17,235 5 18,672 4 1,436 9
9 3,728 2 5,125 4 1,397 2 36 17,675 9 18,678 7 1,002 8
10 4,707 5 5,455 7 0,748 2 37 18,111 1 19,002 1 0,891 0
11 3,187 3 5,950 5 2,763 2 38 17,146 9 19,419 6 2,272 8
12 5,260 4 6,174 6 0,914 2 39 20,700 5 21,324 7 0,624 3
13 6,163 2 6,742 1 0,578 8 40 19,276 4 21,328 9 2,052 5
14 6,731 3 7,609 4 0,878 1 41 22,272 1 21,334 2 -0,937 9
15 6,749 9 8,193 4 1,443 5 42 21,253 3 23,358 0 2,104 8
16 7,550 9 8,752 8 1,202 0 43 22,337 1 23,561 0 1,223 9
17 7,721 0 8,883 9 1,162 9 44 25,886 7 25,995 7 0,109 0
18 8,474 0 9,195 3 0,721 4 45 28,045 0 29,403 9 1,358 9
19 8,575 0 9,224 3 0,649 3 46 29,133 4 29,989 7 0,856 3
20 8,328 0 9,324 6 0,996 6 47 33,407 5 32,373 7 -1,033 8
21 8,699 7 9,378 3 0,678 6 48 32,865 3 34,005 3 1,140 1
22 8,580 4 10,277 0 1,696 6 49 34,251 8 35,594 7 1,342 9
23 11,155 7 11,835 0 0,679 3 50 36,738 9 36,277 3 -0,461 5
24 12,437 6 13,050 0 0,612 4 51 35,810 3 36,514 1 0,703 7
25 12,583 3 13,083 8 0,500 5 52 42,706 2 45,909 0 3,202 8
26 13,560 1 14,209 5 0,649 4 53 43,994 1 45,924 3 1,930 1
27 13,703 1 14,351 5 0,648 4 - - - -
Относительная погрешность определения площади по каждому участку рубки рассчитывается по формуле:
8 „ = ^^, »€ [1,53 ],
где - площади рубок, определенные по космическому снимку «ЬапёБа1;-8»;
Бр - площади рубок, определенные по космическому снимку «Ресурс-П» № 1.
На рис. 4 представлен график зависимости относительной погрешности определения площади лесной рубки от величины ее размера в логарифмической шкале.
Площадь лесной рубки, га 100,00% -1-¡н-1-1-
000%
Рис. 4. Относительная погрешность определения площади лесной рубки
Как видно из представленного графика, погрешность определения площади рубки по космическим снимкам «ЬапёБа1;-8» снижается с увеличением площади наблюдаемой лесной рубки. При размерах рубки 3 га погрешность составляет около 5 %, а при площадях рубки более 10 га - 1 %.
Среднее значение погрешности определения площадей рубок рассчитывается по формуле:
1 п
8ср = ^ 8м , п1=1
где п - общее количество участков лесных рубок; 8^ - погрешность определения площади по каждому участку рубки. Рассчитанное среднее значение погрешности измерения площадей по космическим снимкам «ЬапёБа1;-8» составляет 4,23 %.
Таким образом, оценка определения площади объектов в различных тематических задачах картографирования и мониторинга изменений по данным
«ЬапёБа1;-8» может быть осуществлена с достаточной точностью при площадях наблюдаемых объектов более 10 га [25].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мазуров Б. Т., Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Интегральные экологические карты как инструмент исследования динамики экологической обстановки промышленного центра // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 88-91.
2. Опыт использования цифровых карт для анализа радиационной обстановки / Б. Т. Мазуров, Л. А. Ромашова, О. Н. Николаева, О. А. Волкова // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 91-95.
3. Радиоэкологическое картографирование окружающей среды и некоторые тенденции его развития / Б. Т. Мазуров, Л. А. Ромашова, О. Н. Николаева, О. А. Волкова // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2014. - № 4/с. - С. 104-107.
4. Мазуров Б. Т., Николаева О. Н., Ромашова Л. А. Совершенствование информационной базы региональных ГИС (РГИС) для инвентаризации и картографирования ресурсов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. - С. 130-133.
5. Мазуров Б. Т., Пластинин Л. А., Ступин В. П. Использование аэрокосмических снимков в картографировании экзогенных геологических процессов морфосистем «Байкальской горной страны» // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/С. - С. 113-117.
6. Труханов А. Э., Афонин Ф. К., Ильин А. С. Исследование возможности применения космических снимков для определения местоположения границ земельных участков // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 3 (27). - С. 96-101.
7. Применение информационно-космических технологий в лесном хозяйстве /
B. А. Хамедов, В. Н. Копылов, Ю. М. Полищук, С. В. Шимов // Материалы 4-й Междунар. конф. «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 17-19 апреля 2007 г.). - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - С. 81-83.
8. Копылов В. Н., Полищук Ю. М., Хамедов В. А. Геоинформационная технология оценки последствий лесных пожаров с использованием данных дистанционного зондирования // Геоинформатика. - 2006. - № 1. - С. 56-61.
9. Использование данных ДЗЗ при решении региональных задач рационального природопользования / В. Н. Копылов, Г. А. Кочергин, Ю. М. Полищук, В. А. Хамедов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2009. - В. 6. - Т. 1. -
C. 33-41.
10. Научные основы и первые результаты дистанционного мониторинга незаконных рубок леса / В. И. Сухих, М. Д. Гиряев, В. И. Архипов и др. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2006. - В. 3. - Т. 1. - С. 32-38.
11. Локализация изменений объектов природно-территориальных комплексов по разновременным космическим снимкам / А. П. Гук, Л. Г. Евстратова, А. С. Гордиенко, М. А. Алтынцев // Геодезия и картография. - 2010. - № 2. - С. 19-25.
12. Гук А. П., Евстратова Л. Г., Алферова А. С. Использование структурных признаков изображений типовых участков местности для выявления изменений состояния территорий по космическим снимкам высокого разрешения // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2009. - № 6. - С. 52-55.
13. Бочарова А. А., Жарников В. Б. Об оценке государственного управления землепользованием (на примере земель лесного фонда в рамках программы «Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы») // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 3 (27). - С. 109-121.
14. Жарников В. Б., Бочарова А. А. Национальная лесная политика как основа формирования рационального использования лесных геосистем // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 1 (21). -С. 31-40.
15. Жарников В. Б., Николаева О. Н., Сафонов В. В. Техногенная трансформация земель и ее показатели в системе мониторинга // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 2 (22). -С.36-43.
16. Бочарова А. А., Жарников В. Б. Основные условия рационального использования земель лесного фонда // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 3 (19). - С. 69-77.
17. Жарников В. Б., Щукина В. Н. Обеспечение условий устойчивого землепользования в проектах разработки месторождений на территориях традиционного природопользования // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 72-78.
18. Жарников В. Б., Бочарова А. А. Основные показатели рационального использования земель лесного фонда // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 80-86.
19. Жарников В. Б. Рациональное использование земель как задача геоинформационного пространственного анализа // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 77-81.
20. Жарников В. Б., Бочарова А. А. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : сб. молодых ученых СГГА (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 84-89.
21. Бочарова А. А., Жарников В. Б. Методические основы оценки рационального использования лесных участков // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (24). - С. 25-31.
22. Бочарова А. А. Постановка на государственный кадастровый учет земель лесного фонда: проблемы и решения // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 1 (17). - С. 95-100.
23. Хамедов В. А., Мазуров Б. Т. Разработка методических вопросов создания системы спутникового мониторинга состояния лесных экосистем в условиях воздействия нефтегазового комплекса территории Западной Сибири // Вестник СГГА. - 2015. - Вып. 3 (19). -С. 69-77.
24. Космический аппарат «Ресурс-П» / А. Н. Кирилин, Р. Н. Ахметов, Н. Р. Стратила-тов, А. И. Бакланов, В. М. Федоров, М. В. Новиков // Геоматика. - 2010. - № 4. - С. 23-26.
25. Анализ существующих требований и ограничений в области сельского, водного, дорожного хозяйства, природопользования, туристско-рекреационного комплекса, контроль соблюдения которых целесообразно осуществлять на основе использования результатов космической деятельности (Шифр «Стратегия-РКД-ЮНИИИТ») : отчет о НИР : № инв. РС-5/13-1-1/13 / рук. работы В. А. Хамедов; исполн. : Ю. М. Полищук, Г. А. Кочергин, А. Н. Богданов [и др.]. -Ханты-Мансийск : ЮНИИ ИТ, 2013. - 142 с.
Получено 06.10.2015
© В. А. Хамедов, Б. Т. Мазуров, 2015
