WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«Рыжова Елена Владимировна Комплекс методик предпроектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов ...»

На правах рукописи

Рыжова Елена Владимировна

Комплекс методик предпроектного обоснования

применения космических средств наблюдения

для мониторинга состояния лесов

Специальности:

05.07.02 — Проектирование, конструкция и производство летательных

аппаратов

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва

Работа выполнена в научно-исследовательском институте космических систем — филиале Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр им. М.В .

Хруничева»

Научные руководители;

доктор технических наук Пер ми нов Анатолий Николаевич кандидат технических наук Клюшкиков Валерий Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-матемагических наук Боярчук Кирилл Александрович кандидат технических наук Зубрев Валентин Николаевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Цен­ тральны йнаучно-исследовательский институт машинострое

Защита состоится ntl3»HCh&djp3r 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета ДС 403.003.01 при Федеральном госу­ дарственном унитарном предприятии «Государственный космический науч­ но-производственный центр им. М.В, Хруничева» по адресу; 141090, Москов­ ская обл., г. Юбилейный, ул. МJC Тихонравова, 27, НИИ космических систем

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ космических систем

Автореферат разослан « ЭъОК7АО#Л, 2006 г .

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Чаплинский B.C .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Космические аппараты (КА) ДЭЗ представляют основной источник дан­ ных о состоянии окружающей среды. Космические технологии являются эф­ фективным средством глобального, постоянного и надежного мониторинга окружающей среды. Они дают оперативную информацию, используемую в различных социально-экономических сферах: картографировании, решении задач ЧС, гидрологии, лесного и сельского хозяйства, рыбного хозяйства, экологического мониторинга, земельного кадастра .

Резкий рост уровня антропогенного воздействия на окружающую среду в сочетании с низкой эффективностью и разобщенностью природоохранных мероприятий привел за последние десятилетия к значительному ухудшению экологической обстановки в различных регионах Российской Федерации .

Наиболее уязвимыми оказались промышленно-развитые районы с высокой концентрацией промышленных производств топливно-энергетического, хи­ мического, металлургического и др. профилей, приведших к превышению уровней допустимой экологической нагрузки на природную среду, возникно­ вению потенциально опасных чрезвычайных ситуаций. Компенсировать пе­ речисленные последствия позволяют регуляторные способности биосферы, в основном, растительности .

Органы управления лесным хозяйством России, особенно федерального и регионального уровней, испытывают значительные трудности в оперативном управлении лесами, т. к. при подготовке и обосновании принимаемых реше­ ний не обладают в настоящее время достоверной, оперативной и системати­ зированной информацией о произошедших изменениях в состоянии лесного фонда. Необходим переход на качественно новый уровень получения инфор­ мации .





Основной задачей космического мониторинга лесов является экологиче­ ская и экономическая оценка последствий хозяйственной деятельности чело­ века. Задача должна состоять в отслеживании различного рода достаточно тонких изменений, способных указать на ухудшение экологического состоя­ ния леса. А для этого нужны долговременные регулярные наблюдения за ле­ сом. Перспективным источником данных долговременных, полных и регу­ лярных наблюдений за экологическим состоянием лесов в глобальном или ре­ гиональном масштабе способны стать космические средства. Однако, на наш взгляд, эффективное использование космических средств наблюдения для мо­ ниторинга лесов возможно лишь на основе системного решения поставленной задачи, заключающегося во взаимной увязке биологических особенностей лесной растительности, методов сбора и обработки дистанционной информа­ ции и потребных технических характеристик космических средств наблюде­ ния. Данная работа основана на новом подходе к оценке экологического со­ стояния лесов с использованием временных рядов, получаемых космическими средствами наблюдения.

Однако его реализация в данном конкретном случае требует наличия:

- бортовой измерительной аппаратуры КА, обладающей соответствующи­ ми характеристиками;

• новых информационных технологий для определения функциональных зависимостей между спектральными характеристиками лесной расти­ тельности и их биопродуктивностьго на основе космической информации .

Эффективное использование космических средств наблюдения возможно лишь на основе системного решения проблемы .

В России предприятиями и организациями Роскосмоса, Академии Наук, Минобороны накоплен громадный массив данных дистанционного зондиро­ вания, полученных в течение почти четырех десятилетий. Казалось бы, для целей экологического мониторинга, да и для многих других областей, такая информация ие имеет иены. На основе длительных наблюдений можно выде­ лить тренды характеристик различных природных объектов и явлений, вы­ явить их корреляцию (или отсутствие таковой) с техногенной деятельностью .

Причем, насколько нам известно, никаким другим способом этого сделать нельзя .

И, тем не менее, данные дистанционного зондирования (ДДЗ) в России, в частности архивные, не достаточно востребованы. Во всяком случае затраты на их получение не всегда окупаются эффектом от их использования. На наш взгляд, такая ситуация сложилась из-за того, что потенциальный потребитель ДДЗ не в полной мере представляет возможности КА наблюдения, а разра­ ботчикам аппаратуры и КА дистанционного зондирования не всегда ясно, что нужно конкретному потребителю, «Методики потребителя и разработчика» тесно взаимосвязаны и пред­ ставляют собой единый комплекс методик обоснования применения косми­ ческих средств наблюдения в целях мониторинга экологического состояния лесов .

Дистанционно с использованием авиационных и космических средств ДЗЗ состояние лесов определяют на основе результатов измерения их оптиче­ ских характеристик. За последние 30-40 лет в отечественном лесоведении изучению спектральной отражательной способности древесной растительно­ сти были посвящены исследования Б.Ф. Виноградова (1984), А.С. Исаева и Ф.И. Плешикова (1987), Н.Н. Выгодской (1987), В.М. Жирина (1993) и др .

однако в данных работах динамика изменения оптических характеристик лес­ ной растительности учитывается недостаточно. В данных работах определя­ ются линейные тренды характеристик, а между тем, для растений характерно периодическое изменение их характеристик. Сложность в определении этих характеристик с использовавшем космических средств обусловлена рядом ог­ раничений, а именно:

- значительной вариацией спектральных характеристик объекта наблюде­ ния в зависимости от вегетационного периода, климатических условий, рельефа местности;

- смешенным произрастанием лесной растительности;

- зависимостью качества данных об объекте наблюдения от метеорологиче­ ской обстановки .

Основная доля поступающей от космических средств информации лежит в видимом диапазоне длин волн или в ближнем ИК-диапазоие. В этом диапа­ зоне функционируют целый ряд зарубежных спутников наблюдения, таких как «SPOT», «LANDSAT» и др. Количество отечественных КА наблюдения, функционирующих на орбитах, ограничено. При этом используемая спектрозональная бортовая измерительная аппаратура не в полной мере удовлетво­ ряет решению целевой задачи. В нашей стране ДЗЗ осуществлялось с помо­ щью КА оптико-электронного наблюдения типа «Ресурс-Ol» и фотографиче­ ского наблюдения «Ресурс-Ф». Опыт эксплуатации данных КА показал ряд их недостатков, особенно с появлением новых задач, таких как экологический мониторинг, контроль чрезвычайных ситуаций и др. В России имеется опыт использования информации космических средств наблюдения только для об­ наружения техногенных и некоторых видов природных объектов для которых характерны стабильные спектральные характеристики .

Методические вопросы анализа периодических критериев спектральных характеристик при мониторинге состояния лесов не проработаны .

Следует также учитывать очевидные на данном этапе экономические ог­ раничения по созданию специализированной космической системы монито­ ринга состояния лесов, строительства отдельных пунктов приема космиче­ ской информации и т.д .

Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности постановки зада­ чи разработки комплекса методик предпроектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов .

Целью данной работы является повышение информативности и досто­ верности оценки состояния лесов на основе применения космических средств наблюдения и учета динамики развития растительного покрова .

Для достижения поставленной цели в диссертации решается научная за­ дача разработки комплекса методик предпроектного обоснования примене­ ния космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов. Ре­ шение данной задачи включает;

обоснование метода интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния лесов;

- разработку комплекса методик получения и интерпретации многолетних данных космического мониторинга состояния лесов;

- разработку комплекса методик по предпроектному обоснованию требо­ ваний к характеристикам КА ДЗЗ, реализующим предложенный способ получения и интерпретации многолетних данных космического монито­ ринга состояния лесов;

• апробацию разработанного методического аппарата на практическом примере .

Объектом исследовании являются космические системы наблюдения и лесные экосистемы .

Предметом исследования является применение средств космического наблюдения для мониторинга состояния лесов .

Научно-методической базой диссертационного исследования послужи­ ли работы отечественных и зарубежных ученых в области разработки пер­ спективных космических средств наблюдения лесных экосистем, а также на­ земных средств лесной таксации, контроля состояния лесов и дендроиндикаиии .

В диссертации в качестве инструмента исследования использовались со­ временные методы системного анализа и математического моделирования, анализа временных рядов н исследования операции .

Основные положения, выносимые на защиту:

- комплекс методик предпроектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов, включающий:

- методику оценки биологической продуктивности лесов на основе обра­ ботки дистанционной космической информации;

- методику классификации экологического состояния леса;

- методику расчета периодичности наблюдений;

- методику выбора типа КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения для получения данных космического мониторинга состояния лесов;

- модель лесной экосистемы;

- предложения по реализации метода космического мониторинга состояния лесов .

Научная новизна предлагаемых методик состоит в следующем:

- биопродуктивность предложено оценивать дистанционно, при помощи перспективных КА наблюдения, оснащенных спектрозональной и радио­ локационной аппаратурой наблюдения;

• разработанная методика классификации экологического состояния леса исходит не только из наблюдаемых признаков состояния леса, по и из тенденций их изменения, сигнализирующих об экологическом неблаго­ получии в принципе;

- в методике расчета периодичности наблюдений при мониторинге состоя­ ния лесов, учитывается динамика показателя биопродуктивности;

• выбор орбитального построения, типа н характеристик бортового ком­ плекса КЛ наблюдения предложено осуществлять, исходя из требований получения максимального количества информации о динамике бнопродуктнвности наблюдаемых лесов .

Достооерность к обоснованность полученных результатов и сделан­ ных выводов подтверждаются положительными результатами эксперимента по мониторинговым исследованиям динамики развития лесного растительно­ го покрова на модельном примере, а также — корректным использованием в работе апробированных методов системного анализа и математического мо­ делирования .

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что они по­ зволяют:

- повысить достоверность оценки состояния лесов для уменьшения эколого-экономического и социального ущерба от воздействий природного и техногенного характера;

- прогнозировать по данным космических наблюдений развитие кризисной экологической ситуации;

- обосновать своевременные природоохранные мероприятия и решать с помощью космических средств наблюдения практические задачи лесного мониторинга в системе управления лесным хозяйством России на феде­ ральном и региональном уровнях .

Апробация работы Результаты диссертации докладывались на научных чтениях: IV чтениях им. М.К. Тихонравова (2002 г.), XXXIX и XL научных чтениях памяти К.Э .

Циолковского (2004 и 2005 г.г.), б-ой международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (200S г.), XXtX академиче­ ских чтениях по космонавтике (2005 г.) .

Публикации Основное содержание диссертации опубликовано в трех статьях в науч­ но-технических журналах [3, 5, 9], в шести статьях в Трудах научнотехнических конференций П,2 - 4, 6-8] и в трех научно-технических отчетах [10-12] .

Основные результаты исследования были использованы при проведе­ нии НИОКР НИИ КС, ЦНИИмаш, 2НИЦ 4 ЦНИИ и 4 ЦНИИ Минобороны, в комплекте оборудования для экологической разведки загрязненных террито­ рий на базе самолета Ан-30 (ОКР «Красногорец») .

Структура и объем работы Работа включает в себя: введение, три главы основного текста с вывода­ ми по каждой из них, заключение, список использованной литературы и при­ ложения. Объем текста 160 стр., включает 29 рисунков, 11 таблиц .

•7

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность постановки и проведения ис­ следований по обоснованию применения космической системы для монито­ ринга состояния лесов, новизна и практическая значимость диссертационной работы, формулируется цель и задача исследования, дается информация по апробации работы и структуре диссертации .

В первой главе проведен анализ возможностей существующих н пер­ спективных космических средств наблюдения по решению задач мониторинга состояния лесов.

Показано, что космическая информация может быть исполь­ зована при решении широкого круга задач мониторинга лесов, а именно:

- охрана лесов от пожаров;

- контроль санитарно-лесопатологического состояния лесов;

• контроль территорий, загрязненных радионуклидами;

• контроль лесопользования и лесовосстановления;

• оценка состояния лесных экосистем и лесного покрова .

Проведен анализ публикаций с целью определения понятия состояния лесов и сравнения различных методов оиснки их состояния.

На основании проведенного анализа были сделаны следующие выводы:

- на сегодняшний день отсутствует методология классификации состояния лесов;

- существующие методы оценки состояния лесов не удовлетворяют по­ требностям пользователей данной информацией ни по качественным по­ казателям, ни по ее обзорности (таб. !)• В настоящее время экологн и биологи пришли к выводу, что наиболее информативным показателем, указывающим на экологическое состояние ле­ сов, является их биопродуктивность — динамика изменения биомассы леса в течение длительного времени. В связи с этим в данной работе исследуется именно этот показатель .

Проведен анализ показателей информативности и достоверности интер­ претации данных космического мониторинга состояния лесов .

Под показателем информативности в данной работе понимаем увеличе­ ние количества информации, получаемой об объекте наблюдения. Показатель достоверности представляет собой вероятность достоверной интерпретации изображения заданного участка леса Р0 .

В главе сформулирована научная задача и выработаны основные направ­ ления проведения исследований .

–  –  –

Глава I завершается методической схемой решения задачи исследований .

Во второй главе разрабатывается комплекс методик предпроектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов. В данной работе сделана попытка объединения интересов и потребителя ДДЗ, и разработчика КА ДЗЗ.

Предлагаемый комплекс методик условно можно разделить на две части:

- «методики потребителя» ДДЗ, описывающие порядок получения и интер­ претации многолетних данных космического мониторинга состояния ле­ сов;

- «методики разработчика» аппаратуры и КА ДЗЗ, непосредственно пред­ назначенные для обоснования требований к характеристикам КА ДЗЗ .

Здесь требования к характеристикам аппаратуры и КА ДЗЗ непосредст­ венно вытекают из предназначения и порядка нслользования (тематической обработки) ДДЗ. В то же время «методики потребителя» основываются на но­ вом предлагаемом способе получения н интерпретации данных космического мониторинга состояния лесов, учитывающем динамику жизненного цикла лесных экосистем и позволяющем полнее использовать возможности КА ДЭЗ .

По этой причине вопросы обработки и интерпретации ДДЗ в контексте обос­ нования конкретного целевого применения КА наблюдения потребовали под­ робного рассмотрения, В данной работе рассматривается задача экологического мониторинга состояния лесов, и потребитель предъявляет определенные требования к кос­ мической информации, обеспечивающие ее пригодность для решения данной задачи .

К числу этих требований относятся: рабочие диапазоны частот аппа­ ратуры наблюдения, пространственное и спектральное разрешение и перио­ дичность наблюдения (таб. 2) .

Таблица 2 Обобщенные требования к космической информации для оценки состояния лесов Условия Требования Параметры орбиты Солнечно-синхронная орбита, i ~ 90° Условия съемки Высота Солнца не менее 20-25°

Целевая аппаратура:

Спектрозональная Радиолокационная Тип 0,5-0,6 0,б-0,7мкм L-диапазон Рабочие диапазоны не хуже 10 не хуже 10 Разрешение, м 3 недели 2 месяца Периодичность наблюдения В разработанной методике опенки биопродуктивности леса по дистанци­ онной информации предлагается использовать комплексирование космиче­ ских спектрозональных и радиолокационных изображений. Лес имеет много­ ярусную структуру, и если при определении продуктивности сельхозугодий было достаточно измерить только спектральные характеристики растительно­ сти, то в случае с лесом использование этого метода снижает точность и дос­ товерность результата.

Комплексирование космических изображении дает возможность учесть структуру леса и имеет следующие преимущества:

- контрастирование селективных признаков за счет синтезирования двух, физически различающихся, изображений;

- повышение точности и достоверности измерений за счет использования нескольких независимых признаков растительных образований: индекса жизненности и пространственной структуры;

. - статистическая устойчивость результатов за счет обработки больших объ­ емов информации .

Бнопродуктивность листьев (хвои) рассчитывается по простому зональ­ ному отношению гК = 550/ гЯ. = 670, так как это отношение обладает большей информативностью для решения поставленной задачи. При радиолокацион­ ном зондировании уровень отраженного эхо-сигнала зависит от удельной эф­ фективной площади рассеивания (5уд) подстилающей поверхности. В Lдиапазоне основной вклад в Зуд вносят элементы, определяющие структуру древостоя, находящиеся под пологом: высота, толщина, количество стволов, густота веток, т.е. то, что в перпендикулярном лучу зондирования сечении формирует отражающую поверхность. Таким образом, из данной методики следуют требования к типу аппаратуры наблюдения и ее рабочим диапазонам .

В данной работе разработана обобщенная модель лесной экосистемы, по­ зволяющая рассчитывать, оценивать и прогнозировать биопродуктивность от­ дельно взятого гэпа. Ее отличительной особенностью является то, что она по­ зволяет учесть влияние эндогенных и экзогенных факторов на состояние лес­ ной экосистемы (рис. 1) .

–  –  –

Рис. ! Обобщенная модель лесной экосистемы С использованием результатов дистанционного космического монито­ ринга леса строится временной ряд изменения биопродуктивности H(t$, t, e [to, tj. Его анализ проводится на основе описанных в модели закономер­ ностей развития лесной экосистемы.

Во временном ряде значений бнопродуктивности HftJ выделяют три компоненты:

HftJ = HcfiJ + Нц(^ + е, (О где:

Hc(tJ - детерминированная сукцесснонная компонента, представляющая собой некоторую аналитическую функцию, выражающую тенденцию во вре­ менном ряде изменения биопродуктивности;

HiiOi) - компонента, отражающая периодический н квазипериодический характер вариаций биопродуктивности;

€~ случайная компонента биопродуктивности .

Анализ временного ряда динамики биопродуктивности леса заключается в;

- оценке сукцесс ионной, периодической (квазипериодической) и случайной компонент полученного временного ряда биопродуктивности;

- оценке корреляции (влияния) временного ряда изменения солнечной ак­ тивности — задающего ряда и временных рядов изменения биопродук­ тивности леса - эталонного и наблюдаемого .

Анализ различных составляющих временного ряда биопродуктивности леса и анализ корреляций динамики изменения биопродуктивности на наблю­ даемых и эталонных участках (гэпах) леса с динамикой солнечной активности положен в основу методики классификации экологического состояния леса .

Исходными данными для классификации служат временные ряды изменения биопродуктивности заданного участка леса, экологическое состояние которо­ го необходимо оценить и эталонного, результаты их анализа, данные о дина­ мике лесопокрытия заданного участка леса, а также данные об активности Солнца (динамика изменения числа Вольфа). Корреляция биопродуктивности и степени экологического благополучия леса - перспективный метод опреде­ ления экологического состояния лесов. Экологическое состояние заданного участка леса оценивают по шкале «норма», «нарушенное состояние», «кри­ тическое состояние». Алгоритм классификации представляет собой логикоматематическую процедуру, в результате применения которой получают множество классификационных признаков. Окончательная классификация экологического состояния леса производится по одновременному совпадению более чем одного частного признака классификации (рис. 2) .

–  –  –

Рис. 2. Методика классификации экологического состояния песо»

Важным моментом при организации мониторинга является задание пе­ риодичности наблюдения. В данной работе периодичность наблюдений при мониторинге состояния лесов принимается равной минимальному интервалу времени, через который установленная на КА ДЗЗ аппаратура позволяет за­ фиксировать изменение биопродуктивности лесной растительности. Очевид­ но, что периодичность будет различна, во-первых, для спектрозоналыюй и радиолокационной аппаратуры наблюдений (т.е., соответственно, для листьев и древесины), а, во-вторых, - для различных климатических поясов .

Оценка периодичности спектрозональных наблюдений Биомасса зеленой листвы определяется на основе спектрозональных на­ блюдений по тем или иным преобразованиям спектральных яркостей, напри­ мер, - по зональному отношению яркостей спектрозонального изображения леса в зеленой и красной частях спектра: r^-sso / rjL-«7o- Для непосредственного определения биомассы строят тарировочные графики М = Д г ^ м / Г\=67О- Относительная точность определения биомассы АМ^,^ в этом случае будет за­ висеть в основном от спектрального разрешения аппаратуры 5^:

= ДМмир Asao-^J. (2) где Акк - коэффициент пропорциональности, связывающий методическую точность аппаратурных космических наблюдений (определения биомассы) и спектральное разрешение аппаратуры наблюдения .

Из практики таксационных исследований известны временные зависимо­ сти изменения биомассы различных видов лесной растительности:

Mpoaaa.=g(t).

(3) Приравнивая правые части равенства (2) и уравнения (3) для листвы и решая его относительно (, получаем значение минимального периода спек* трозональных наблюдений биомассы листвы лесной растительности:

k^5„^g(t),t=ATHa. (4) Оценка периодичности радиолокационных наблюдений При радиолокационном зондировании лесной растительности в Lднапазоне основной вклад в удельную эффективную площадь рассеивания, отражаюшую эхо-сигнал, вносят элементы, определяюшие структуру древо­ стоя, находящиеся под пологом: высота, толщина, количество стволов, густо­ та веток.

В этом случае относительная погрешность определения биомассы АМаш1ар будет зависеть в основном от радиометрического разрешения аппара­ туры р:

АМаппар = кбар-Sp, (5) где А^ - коэффициент пропорциональности, связывающий методическую точность аппаратурных космических наблюдений (определения биомассы) и радиометрическое разрешение аппаратуры наблюдения .

Приравнивая правые части равенства (3) и уравнения (5) для древесной растительности и решая его относительно /, получаем значение минимального периода радиолокационных наблюдений древесной биомассы лесной расти­ тельности:

*&кА =g(t).t=ATr. (6) Влияние географического положения наблюдаемого лесного массива на потребную периодичность наблюдений Потребная периодичность наблюдений при мониторинге лесов определя­ ется скоростью роста древесной растительности и листвы (хвои) в наблюдае­ мом районе. В свою очередь скорость роста лесной растительности зависит, помимо всего прочего, и от времени года (фенофазы). Фенофазы зависят от многих климатических факторов, и длительность их в разные годы может варьировать. В задачу мониторинга должны входить н наблюдения за феноло­ гическим состоянием лесов с целью выбора оптимального времени съемки, потому что оно существенно влияет на результативность дешифрирования съемочных материалов .

В данной главе представлена методика выбора типа КА ДЗЗ для получе­ ния данных космического мониторинга состояния лесов. Выбор КА и его ор­ битальных параметров осуществляется по «пригодности» из существующих типов КА ДЗЗ. В качестве методического аппарата для сравнения предлагает­ ся использовать интерактивную систему поддержки принятия многокритери­ альных решений в условиях дефицита информации, основанную на методах стохастической квалиметрии (определения стохастического доминирования на основе неполной информации) .

Набор частных признаков задан в виде вектора:

Xj= (Ilorj, i}, Bj. Ij. Tj).j=l N, (7) RJ,QJ .

где Йог - высота орбиты, км, I - наклонение орбиты, град.;

В ~ ширина полосы обзора, км;

R- пространственное разрешение, м;

Q — число спектральных диапазонов спсктрозональной аппаратуры на­ блюдения;

L - длина волны для радиолокационной аппаратуры, см;

Т- периодичность наблюдений .

Частные признаки определены на основе достаточности информации о КА ДЗЗ для осуществления выбора .

Процедура выбора КА ДЗЗ состоит из следующих шагов:

1. Определение минимальных, максимальных и номинальных значений «mtn Y.mtx.y»J4cw элементов вектора х}: лу »лу ли,i^\,..J^tj=lt...,6;

2. Задание ординальной информации о важности элементов вектора при­ знаков ранжирования: I={ Q — Cj,... С/ Cj.,., С$ — С„....};

3. Моделирование на основе метода статистических испытаний дефицита информации о точном значении вектора весовых коэффициентов С=(СЬ..С& (8)

–  –  –

5. Определение стохастического доминирования t-го сводного показателя ранжирования КА ДЗЗ:

Q,(X)=M&(X),i = h...tN, (И) где Л/-символ математического ожидания .

Большим значениям сводного показателя д,(Х) соответствует более вы­ сокий уровень соответствия КА ДЭЗ заданным требованиям для решения по­ ставленной задачи .

Важным моментом в ранжировании КА ДЗЗ по степени соответствия требованиям мониторинга состояния лесов является задание ординальной ин­ формации об относительной важности частных признаков ранжирования хр Г1.....6 .

Анализ характеристик КА ДЗЗ позволил построить следующий орди­ нальный ряд:

I~{xsxtS'=xJxi=x1 ^x,}, (12) где xt - высота орбиты Н;

х г - наклонение орбиты i;

x j - ширина полосы обзора В;

Xj — пространственное разрешение R;

x s - число спектральных диапазонов Q для спектрозсшалъной аппаратуры наблюдения и длина волны L для радиолокационной аппаратуры наблюдения;

x s - периодичность наблюдения;

"","=" — отношения соответственно большего и равного предпочтения .

Ординальный ряд (12) сформирован из следующих соображений. Как следует из анализа способа определения показателя биопродуктивности дис­ танционными методами достоверность его определения, в первую очередь, зависит от характеристик аппаратуры наблюдения .

При этом точность опре­ деления биопродуктивности спектрозональной аппаратурой зависит, в первую очередь, от спектрального разрешения аппаратуры, следовательно, - от коли­ чества спектральных каналов: с увеличением количества каналов точность определения той составляющей биопродуктивности, которая определяется приростом массы листвы (хвои), возрастает. Точность определения б непро­ дуктивности (составляющей, зависящей от прироста древесных стволов и вет­ вей) радиолокационной аппаратурой наблюдения, по аналогии со спектрозональной, определяется радиометрическим разрешением и зависит от исполь­ зуемого диапазона длин волн. Следовательно, в ординальном ряде характери­ стики аппаратуры наиболее важны, так как именно они определяют возмож­ ность ее использования для определения биопродуктивности .

Несколько менее важными являются характеристики периодичности на­ блюдения и пространственного разрешения. Наблюдения с заданными значе­ ниями периодичности гарантируют полноту получения дистанционной ин­ формации о динамике биопродуктивности лесов. Наблюдения с периодично­ стью, рассчитанной с учетом динамики развития лесов, позволят выявить на­ чальные стадии нарушений и принять меры по своевременному их устране­ нию. Пространственное разрешение хуже 10 м существенно снижает и точ­ ность, и полноту получаемой информации за счет усреднения значений био­ продуктивности на площади, превышающей площадь одного гэпа .

Наконец, орбитальные параметры КА ДЗЗ (высота, наклонение орбиты и ширина полосы обзора), определяющие в основном производительность на­ блюдений, выполняемых одним КА, еще менее значимы. От высоты орбиты и ширины полосы обзора зависит только лишь наблюдаемая в одном кадре (сцене) площадь. Наклонение орбиты, близкое к 90е, rapaimipyeT наилучшие условия освещенности при наблюдениях. Следовательно, перечисленные вы­ ше орбитальные параметры, с точки зрения решения задачи определения био­ продуктивности лесов, примерно равнозначимы .

В третьей главе представлены результаты предпроектного обоснования требований к характеристикам КА ДЗЗ и прикладные аспекты космического мониторинга состояния лесов .

Орбитальная группировка КА ДЗЗ будет характеризоваться количеством КА, информация с которых используется для мониторинга состояния задан­ ного участка леса, и параметрами их орбит. Орбитальная структура КА долж­ на обеспечивать выполнение требований по периодичности наблюдения од­ ного и того же участка земной поверхности. На основании методики опреде­ ления периодичности наблюдений, представленной во второй главе, произве­ ден расчет периодичности наблюдений. Расчет производится с учетом вре­ менных зависимостей изменения биопродуктивности для различных пород средней полосы России. Анализ структуры прироста биопродуктивности по­ казывает (рис. 3.), что в формировании органического вещества хвойных по­ род (за исключением ели) наиболее существенна роль стволов, лиственных пород - ассимиляционных органов (листвы) .

Так, в сосновом и сое ново-еловом насаждениях стволы создают соответ­ ственно 37,6 и 45% прироста, ассимиляционные органы - 29,1 и 23,6%. В об­ щем приросте органической массы на ветви приходится 11,5 и 15,7%, на кор­ ни - 21,8 и 15,7%. В еловом насаждении в структурном составе прироста от­ носительно преобладают хвоя (листья) - 36,5%, стволы составляют 34,8%, ветви - 8%, корни - 20,7%. В березовых лесах многолетние части (стволы и корни) имеют подчиненное значение: 5-22% от массы ежегодного прироста .

–  –  –

Хвоя Ветви Ствол (листья) Рис. 3. Структура биопродуктивности основных лесных пород деревьев: в среднем биомассы стволов и ветвей + 37% биомассы хвои (листьев) Отсюда усредненная по различным породам деревьев минимальная био­ продуктивность составляет порядка Нт)п — 3754 кг/га в год или !!„,„ •= 37,54 кг/гэп в год. Из них Н"т- 23,65 кг/гэп приходится на стволы И ветви и И1 =13, 89 кг/гэп - на хвою и листья, нет™" При современном состоянии космического дистанционного зондирова­ ния ошибки измерения биомассы лесной растительности (листовых индексов) приводят к ошибкам оценки продуктивности при единичном измерении в де­ сятки процентов. При регулярном проведении измерений и их пространствен­ ном и временном суммировании точность определения годовой продуктивно­ сти может повыситься до единиц процентов. Примем точность определения составной части биопродуктивности лесных пород деревьев, - биомассы лист­ вы (хвои) на основе спектрозональных наблюдений равной 5 %. 5го означает, что A&w-^i = 0,05- Я ^ = 0,05-13, 89 кг/гэп = 0,6945 кг/гэп. Прирост за сутки составляет 0,038кг/гэп, получаем: t * ДГН"= 18 сут. Точность радиолокаци­ = онных измерений биомассы стволов и ветвей лесных деревьев примем равной 15%.-Это означает, что fc^-Sp = 0,15-Я,1 = 0,15-23,65 кг/гэп = 3,5475 кг/гэп .

Прирост за сутки составляет 0,06бкг/гэп, получаем: t = uTJ™ = 55 сут .

На рис, 4 и 5 проиллюстрирован принцип графического решения задачи в соответствии с формулами (4) и (б) .

Таким образом, потребная периодичность космических наблюдений при мониторинге экологического состояния лесов составляет порядка 3-х недель для спектрозональной съемки и 2-х месяцев —для радиолокационной, приращение бионассы за г о д

–  –  –

Выбор КА ДЗЗ и аппаратуры наблюдения в целях осуществления мони­ торинга состояния лесов осуществлен на основе предложенных частных при­ знаков (глава 2). Выбор КА и аппаратуры наблюдения осуществляется по сте­ пени наилучшего приближения частных характеристик существующих типов КА ДЗЗ к требуемым характеристикам .

На основе анализа существующих и перспективных аппаратов ДЗЗ и требо­ ваний к космической информации, необходимой для мониторинга состояния ле­ сов (глава 2), разработаны ориентировочные эталонные показатели (таб. 4) .

Пороговое значение функции d** близости, »1, 2, 3, задано как модуль разности определенных (вектор X*'*) и эталонных (вектор Х" показателей:

–  –  –

Таким образом, чем вьгше разрешения аппаратуры: пространственное, спектральное и радиометрическое, тем выше информативность. Кроме того, увеличение информативности достигается за счет увеличения числа наблюде­ ний .

Проведена оценка достоверности интерпретации данных космического мониторинга состояния леса при учете динамики развития растительного по­ крова. При учете многолетней динамики развития растительного покрова дос­ товерность интерпретации данных космического мониторинга состояния леса может быть существенно повышена. Вывод о повышении достоверности ин­ терпретации данных космического мониторинга состояния леса при учете ди­ намики развития растительного покрова может быть подтвержден, исходя из следующих соображений .

–  –  –

Рис. 8. Кртпность повышения достоверности интерпретаиии данных космического Мониторинга состояния леса при учете динамики развития растительного покрова с возрастанием количества наблюдений Как видно из рис. 8, в том случае, если использовать существующие ме­ тоды тематической обработки ДДЗ, повышение достоверности интерпрета­ ции данных космического мониторинга состояния леса на порядок можно получить при простом увеличении количества наблюдений до 10, Проводить большее количество наблюдений не имеет смысла, поскольку увеличение достоверности при этом незначительно .

Предлагаемая же новая процедура интерпретации начинает работать при любом количестве наблюдений п 1 (при единичном наблюдении ее исполь­ зование просто не имеет смысла) н МИНИМУМ на порядок позволяет повысить достоверность интерпретации ДДЗ. В результате единичного наблюдения можно достаточно точно классифицировать экологическое состояние леса только при видимых существенных изменениях спектральных характеристик, указывающих на угнетенное состояние растительности. Однако такую ин­ формацию, скорее всего, нельзя будет использовать на практике: слишком поздно: начались необратимые изменения, потенциал самовосстановления лесной экосистемы исчерпан. На ранних же стадиях техногенной сукцессии, когда видимых изменений (во всяком случае, обнаруживаемых принятыми процедурами тематической интерпретации) еще нет, только предлагаемая ме­ тодика позволяет определить истинное состояние наблюдаемого леса .

Апробация разработанного методического аппарата проводилась на при­ мере двух участков лесных массивов Карелии - один из них находится вблизи алюминиевого завода, а другой на территории заказника «Толвоярви». Ис­ ходными данными послужили результаты наземных дендрохроноэкологических исследований. Экологическое состояния лесного массива, находящегося вблизи алюминиевого завода, оценивалось по разработанной в данной работе методике. Проведенный анализ временных рядов биопродуктивности на двух участках леса с выделением сукцессионной, циклической и случайной состав­ ляющей и последующей их оценкой показал, что наблюдается резкое сниже­ ние направленности сукцсссионного тренда для участка вблизи алюминиевого завода, снижение коэффициентов корреляции между гармоническими состав­ ляющими рядов оцениваемого участка, эталонного и солнечной активности .

Случайная составляющая ряда биопродуктивности оцениваемого участка превосходит случайную составляющую эталонного ряда. Все это позволяет сделать вывод о том, что экологическое состояние участка леса, расположен­ ного вблизи алюминиевого завода можно оценить как нарушенное .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведенных исследовании в диссертации разработан комплекс методик пред проектного обоснования применения космических средств наблюдения для мониторинга состояния лесов, обеспечивающий по­ вышение информативности и достоверности оценки состояния лесов на осно­ ве применения космических средств наблюдения и учета динамики развития растительного покрова,

2. Разработана модель динамики развития леса, описывающая изменения сукцессионной, циклической и случайной составляющих биопродуктивности выделенного лесного гэпа в зависимости от начального состояния биопродук­ тивности, активности Солнца, измеряемого в числах Вольфа, и уровня техно­ генного воздействия. Расчеты, проведенные на модели, и сравнение резуль­ татов расчетов с наземными таксационными наблюдениями подтвердили, вопервых, адекватность модели реальным природным процессам, а во-вторых эффективность оценки состояния лесов на основе наблюдений за динамикой их биологической продуктивности .

3. Методика оценки биологической продуктивности леса на основе дис­ танционной космической информации в отличие от ранее известных предла­ гает использовать для ее оценки комплексирование космических спектрозональных и радиолокационных изображений, что позволяет повысить точность и достоверность измерений за счет использования нескольких независимых признаков растительных образований: индекса жизненности а пространст­ венной структуры .

4. Разработана методика классификации экологического состояния леса, исходящая не только из наблюдаемых признаков состояния леса, но и из тен­ денций их изменения. Исходными данными для классификации служат вре­ менные ряды изменения биопродуктивности заданного участка леса и эталон­ ных лесных массивов, данные о динамике лес о покрытия, а также данные об активности Солнца (динамика изменения числа Вольфа). Методика позволяет интегрально оценивать экологическое состояние заданного участка леса и выявлять нарушения экологического состояния на ранних стадиях .

5. Методика расчета периодичности наблюдений разработана с учетом динамики показателя биопродуктивности, по которому оценивается экологи­ ческое состояние лесов. По предлагаемой методике периодичность наблюде­ ний отличается для спектрозональной и радиолокационной аппаратуры, т.е .

для листвы (хвои) и древесины. Согласно расчетам требуемая периодичность космических наблюдений при мониторинге экологического состояния лесного массива составляет порядка 3-х недель для спектрозональной съемки и 2-х месяцев - для радиолокационной .

6. Разработаны требования к составу и характеристикам аппаратуры на­ блюдения. Исходя из решаемой задачи, должны использоваться два типа ап­ паратуры: спектрозональная и радиолокационная. Наибольшей информатив­ ностью для оиенкн экологического состояния лесов в оптическом диапазоне обладает зональное отношение КСЯ зеленой части спектра гк = 550 нм к красной части спектра iX = 670 нм. При радиолокационной съемке в качестве рабочей длины волны, используемой при дистанционном определении био­ продуктивности леса, целесообразно выбрать L-днапазон .

7. Задача совместного выбора типа КА ДЗЗ (орбитальных параметров) и аппаратуры наблюдения решена с использованием метода стохастической квалиметрин. По результатам выбора КА ДЗЗ сформировано три рациональ­ ных варианта орбитальных группировок КА ДЗЗ .

8. Применение разработанного комплекса методик прел проектного обос­ нования применения космических средств наблюдения для мониторинга со­ стояния лесов позволит:

- повысить достоверность оценки состояния лесов для уменьшения эколого-экономического и социального ущерба от воздействий природного и техногенного характера;

- прогнозировать по данным космических наблюдений развитие кризисной экологической ситуации;

• обосновать своевременные природоохранные мероприятия и решать с помощью космических средств наблюдения практические задачи лесного мониторинга в системе управления лесным хозяйством России на феде­ ральном и региональном уровнях .

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Kljushnikow V.Y., Tishina E.V. Screening of the state of of the Earth's biosphere using cosmic means // International Conference "Mathematical Modelling of Ecological Systems". - Almaty: Daik-Press, 2003, p .

11 {.Скрининг состояния биосферы Земли космическими средствами .

// Международная конференция «Математическое моделирование экологических систем. Алма-Ата, 2003, с. 111—115 .

2. Тишина (Рыжова) Е.В. Использование флуктуации биологических за­ кономерностей развития лесного покрова в качестве индикационных признаков для космической интерпретации данных дистанционного зондирования./ Материалы XXXIX научных чтений памяти К.Э, Ци­ олковского, Калуга, 2004, с. 169—170 .

3. Кпюшников В.ГО., Тишина Е.В. Способ выявления направленности многолетнего тренда экологического состояния природного комплек­ са. // Экологические проблемы разработки и эксплуатации ракетнокосмической техники. Материалы 5-го научно-практического семи­ нара: Сб. трудов СИП РИА. Выпуск 11 / Под ред. Л.И. Волкова, В.Л. Лукина. - М.: СИП РИА, 2004, С. 53-54 .

4. Тишина (Рыжова) Е.В. Требования, предъявляемые к бортовой аппа­ ратуре наблюдения и баллистическому построению системы КА мо­ ниторинга лесов. / Актуальные проблемы развития отечественной космонавтики. Труды XXIX академических чтений по космонавтике, январь 2005, с. 213-215 .

5. Клюшннков В.Ю., Рыжова Е.В. Дистанционная фитоикдикация в ди­ агностике состояния природного комплекса. - «Сенсор», J63, 2005, с .

22-25 .

6. Рыжова Е.В. Подход к космическим наблюдениям за общим состоя­ нием растительного покрова,/ Материалы XL научных чтений памяти К.Э, Циолковского, Калуга, 2005, с, 168-170 .

7. Рыжова Е.В. Наблюдение флуктуации биоритмологических законо­ мерностей развития растительного покрова из космоса. / Второй бе­ лорусский космический конгресс, Минск, 2005, с. 369-371 .

8. Рыжова Е.В. Методика оценки состояния лесных массивов с исполь­ зованием космических средствУб-я международная научнопрактическая конференция «Пилотируемые полеты в космос», Звезд­ ный городок «Центр подготовки космонавтов», 2005, с. 134-135 .

9. Рыжова Е.В, Техническая основа системы мониторинга лесов. / Вест­ ник Московского государственного университета леса - Лесной вест­ ник. - Вып. № 48 - М.: МГУЛ, 2006, с. 63-67 .

10. НТО «Исследование принципов построения, возможностей повыше­ ния технического уровня и эффективности функционирования отече­ ственных КА ДЗЗ», шифр «Мониторинг- 3»,№ 851-0300/04-12-2005ЦНИИМАШ, 2005, 9 с .

11. НТО «Анализ комплекса бортовой целевой и служебной аппаратуры на разрабатываемых перспективных отечественных ИСЗ ДЗЗ и их ха­ рактеристик (элементной базы); сравнение с бортовой целевой и слу­ жебной аппаратурой на аналогичных зарубежных КА с целью оценки полноты решения задач ДЗЗ. Исследование методов наблюдения и* космоса для решения задач ДЗЗ», Ля 851-2111/06-4.2-2006-1041-104ЦНИИМАШ, 2006,12 с .

12. НТО «Исследование потенциала гиперспектральной съемки при ре­ шении задач контроля экологического состояния лесных и лесопар­




Похожие работы:

«ГОСТ Р 34.982—92 (И С О 8 6 5 0 — 8 8 ) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ ОТКРЫ ТЫ Х СИСТЕМ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОТОКОЛА ДЛЯ СЕРВИСНОГО ЭЛЕМЕНТА УПРАВЛЕНИЯ АССОЦИАЦИЕЙ Издание официальное БЗ...»

«Сивцев Петр Васильевич Численное исследование некоторых прикладных проблем расчета напряженно-деформированного состояния Специальность: 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ ДИССЕРТАЦ...»

«Суркаев Анатолий Леонидович ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОВОДНИКОВ 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Вол...»

«Козлова Елена Павловна ФОРМИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ Специальность: 08.00.05 – "Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и упра...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.И. ПОЛЗУНОВА" (АлтГТУ) НАУКА И МОЛОДЕЖЬ XV Все...»

«Масло для прокатных станов П-40 РПБ № 84035624.02.38643 стр. 3 по СТО 84035624-026-2009 Действителен до 14.07.2020 г. из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической...»

«РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ QE49Q6FNAU QE55Q6FNAU QE65Q6FNAU QE75Q6FNAU Благодарим за приобретение изделия компании Samsung. Для наилучшего обслуживания зарегистрируйте свое устройство по адресу: www.samsung.com Модель Серийный номер Перед изучением этого руководства польз...»

«СЕКЦИЯ 18. ЭКОНОМИКА МИНЕРАЛЬНОГО И УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ. ГОРНОЕ ПРАВО 2. Оптимизация активной части вентильно-индукторного двигателя [Электронный ресурс]// Cyberleninka. Информационный сайт. – 2006. Режим до...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

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.