CC BY
32
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА
СПОСОБ РАННЕЙ ЛЕСОПАТОЛОГИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
В.Ф. ДАВЫДОВ, академик РАЕН, доц. каф. БЖДМГУЛ, канд. техн. наук,
Ю.П. БАТЫРЕВ, ст. научн. сотр. ИСИЛМГУЛ, канд. техн. наук
batyrev@mgul.ac.ru
В лесном хозяйстве большое значение имеет раннее предсказание начала повреждения, ослабления и усыхания леса, от которого зависит оперативность принятия решения о начале лесозащитных мероприятий.
Периодически наблюдаются массовые размножения хвои и листогрызущих насекомых: соснового и сибирского шелкопрядов, шелкопряда-монашенки, сосновой и пихтовой пядениц, сосновых и еловых пильщиков и др. По данным лесопатологического надзора общая площадь поврежденных насекомыми участков достигает сотен тысяч и нескольких млн га в год.
Во всех случаях лесопатологического мониторинга желательно обнаруживать эти процессы на ранней стадии, чтобы своевременно проводить лесозащитные мероприятия, пока отслеживаемые процессы не приняли необратимый характер.
Для оперативного обнаружения лесопатологического состояния используют методы космического мониторинга лесов путем получения их изображений. При наблюдении сверху отображаемым на снимке объектом является древесный полог. Древесный полог содержит всю информацию об экологическом состоянии насаждения. Интегральными характеристиками изображения древесного полога, содержащими информацию об экологическом состоянии насаждения, являются: цветность хвои, листьев; степень изрезанности древесного полога; линейная протяженность (разброс) диаметров крон древостоя, объем кроны отдельного дерева и степень ее охвоенности и др. Перечисленные характеристики рассчитывают путем программной обработки изображений. Чем больше разнородных признаков изображения используют при оценке экологического состояния лесов, тем достовернее результат.
Одним из методов оперативного обнаружения очагов насекомых вредителей является сравнение текущего изображения лесного участка с эталоном.
Для решения задачи ранней лесопатологической диагностики авторами был предложен способ, состоящий в осуществлении одновременной, синхронной цифровой спектрометрической и видовой съемки лесных массивов, расчете по ним интегральных характеристик древесных пологов, объединение интегральных характеристик феноменологическим уравнением, нахождение областей устойчивого и неустойчивого состояния объекта анализом феноменологического уравнения, определение фазы дигрессии лесного массива по отношению текущих значений наблюдаемого параметра к его значениям в области устойчивого состояния.
Предложенный способ ранней лесопатологической диагностики включает синхронные измерения лесных массивов с космического носителя гиперспектрометром со спектральным разрешением спектрограмм 1(h) ~ 1 нм и цифровой видеокамерой с пространственным разрешением изображений I(x, y) ~ 0,3 м/пиксель, квантование измеряемых сигналов I(h), I(x, y) по амплитуде в шкале не менее 10 разрядов, выбор в качестве наблюдаемого параметра лесопатологии произведения интегральных характеристик древесного полога, пронормированных относительно их значений для эталонного участка: средневзвешенной длины волны спектрограммы (h/h0), средневзвешенного пространственного спектра Фурье матрицы изображения [mn] элементов (F тек / F ср 0), площади рельефа древесного полога (£р тек / S р 0) помноженного на среднее значение производной спектрограммы в интервале 540-640 нм
Ф = 0I(h)/a-(h /h0)-(F / F 0)-(S / S 0),
представление наблюдаемого параметра феноменологическим рекуррентным уравнением, вычисление посредством математических процедур постоянных рекуррентного уравнения, нахождение области параметров устойчивого состояния древесного полога, расчет фазы дигрессии лесного массива по количес-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
31
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
твенному отношению текущего значения наблюдаемого параметра к его значениям в границах области устойчивого состояния.
Основной метод идентификации природных объектов (процессов) - это сравнение с эталоном, т.е. построение графического и математического образов отслеживаемого объекта по значениям измеряемого параметра. Как отмечалось выше, наблюдаемым объектом является древесный полог. Графическим образом состояния объекта является диаграмма Пуанкаре. Математический образ - это феноменологическое (детерминированное) уравнение, описывающее эволюцию объекта во времени. Отслеживаемым параметром является произведение интегральных признаков лесопатологии, содержащихся в спектрограмме древесного полога и его видеоизображении.
Поглощение и рассеяние лучистой энергии определяется наличием и концентрацией пигментов, а также наличием влаги в хвое, листьях. В результате селективного поглощения у зеленых растений формируется спектральная область с двумя минимумами отражения в синей (B) и красной (R) зонах. И лишь небольшой максимум отражения в зоне (G) придает растительности зеленую окраску. Спектр отражения светового потока зеленой вегетирующей растительности иллюстрируется графиком рис. 1(а).
При стрессовых ситуациях, например, накапливании в фотосинтезирующих органах поллютантов, происходит разрушение фитопластов, уменьшение хлорофилла. При этом хвоя и листья растения приобретают желтоватую окраску, причем растения одинаково реагируют как на недостаток минерального питания, накопление поллютантов или объедание кроны насекомыми вредителями. Визуальными признаками нарушения состояния древостоев являются: некроз хвои, листьев, изменение окраски, уменьшение их линейных размеров, ажурность крон, усыхание ветвей, уменьшение степени охвоенности побегов, уменьшение общего объема фитомассы. Это приводит к уменьшению поглощения лучистой энергии древесным пологом и к изменению спектральных характеристик отраженного потока, рис. 1,а [1, 2].
Первым признаком лесопатологических нарушений, содержащихся в спектрограмме, является изменение знака производной спектрограммы /(X) в интервале
540...640 нм. На рис. 2 представлены графики производных d/(X)/dX регистрограмм (рис. 1), соответственно здорового леса (а) и в состоянии дигрессии (б, в). Изменение знака производной свидетельствует о начале процесса дигрессии. Среднее значение производной в интервале 540.640 нм используют в качестве параметра феноменологического уравнения.
Вторым признаком лесопатологии, содержащимся в спектрограмме, является изменение цвета, окраски древесного полога, что проявляется в виде смещения результирующего спектра отражения в длинноволновую (красную) область. Количественным параметром такого смещения служит средневзвешенная длина волны Хср отраженного потока, исчисляемая как
У к=670
J I(k) -дк = J IX) -дк.
к=370 кСр
Средневзвешенное значение длины волны делит площадь под рис. 1 пополам. В частности, в качестве эталонной средневзвешенной длины волны принимают ее расчетное значение для здорового, вегетирующего насаждения (рис. 1,в), Х0 = 540 нм. Динамика изменения отношения средневзвешенных длин волн регистрограмм (рис. 1) иллюстрируется графиком (рис. 3).
Лесопатологические нарушения изменяют структуру древесного полога и, соответственно, текстуру его видеоизображения.
Текстура изображения содержит скрытые закономерности в строении насаждения и отдельных его элементов. Крона отдельного дерева при съемке сверху представляется некоторой колоколообразной фигурой. Вершина кроны отражает падающий световой поток практически зеркально, в то время как промежутки между кронами - диффузно. При этом световой поток рассеивается в промежутках и не отражается в сторону измерителя. Промежутки между кронами имеют меньшую яркость на изображении.
32
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Поэтому текстура изображения отражает морфологию древостоя, т.е. периодичность чередования расстояния между деревьями и линейные размеры крон отдельных деревьев. Скрытую информацию о периодичности
чередования расстояний между деревьями и линейными размерами диаметров крон выделяют расчетом пространственного спектра Фурье функции яркости видеоизображения l(x,y) [3].
400 500 600
700 800
Х,нм
Рис. 1. Спектральные характеристики древесных пологов: а) здорового, б, в) в состоянии дигрессии
X, нм
400 500 600 700
Рис. 2. Производные спектральных характеристик
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
33
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Рис. 3. Динамика относительного изменения средневзвешенной длины волны спектрограмм
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
F, 1/м
Рис. 4. Динамика изменения огибающей пространственного спектра Фурье при дигрессии
Двумерный пространственный спектр Фурье от функции яркости изображения I(x,y) вычисляют как
т n
G(Fx, Fy) = Я1 (У У) • exP[-2njх
0 0
х(Fx • х + Fy • y)]dxdy,
где m, n - размеры матрицы изображения [тп](строк и столбцов).
Представленное аналитическое выражение является стандартной математической операцией, реализуемой алгоритмами быстрого преобразования Фурье (БПФ).
34
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2010
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
I (x, у ) %
Рис. 5. Изрезанность древесных пологов а) здорового, б) сухостойного
Рис. 6. Изменение отношения площади рельефа древесного полога (Sp) к геометрической площади участка (S0) при дигрессии
На рис. 4 представлены графики огибающих пространственных спектров видеоизображений а) здорового насаждения,
б) усыхающего. Амплитуда АЧХ в каждой ее точке F определяет удельный вес пространственной гармоники в общем спектре.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
35
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
О О б
Рис. 7. Диаграммы Пуанкаре наблюдаемого параметра а) устойчивого состояния, б) неустойчивого состояния
3 2 1 0
-1
-2 -3
-3-2-10 1 2 3
а
-3 -2 -1 0 1 2 3
б
Рис. 8. Решения феноменологического уравнения а) область устойчивых состояний, б) область неустойчивых состояний
36
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2010
