The results are presented of a research of systematic and random errors in determining the height of the pine forest, obtained by calculation the difference between the interferometric phases of radar echoes in X - and L-bands.
Введение. В настоящее время для Российской Федерации актуальной является разработка технологий определения таксационных показателей леса на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Согласно Лесному кодексу Российской Федерации (ЛК РФ) с 2006 г. используется система лесоучетных работ – государственная инвентаризация лесов (ГИЛ). ГИЛ должна проводиться на основе статистической выборки и базироваться на результатах измерений и расчетов на пробных площадях, заложенных в пределах кластеров – участков лесного фонда [1]. При реализации ее задач должны использоваться как наземные, так и дистанционные методы оценки. Разработка методов ДЗЗ имеет стратегическое значение в организации и ведении лесного хозяйства, в частности для изучения и мониторинга изменений, происходящих в лесах в процессе проведения лесохозяйственных мероприятий и соответствие результатов этих мероприятий лесным планам субъектов РФ.
К таксационным показателям относят количественные и качественные параметры, оценки биологических и физических особенностей структуры лесной среды, производительности насаждения в пределах занимаемой им территории: происхождение, форма, состав, средняя высота, средний диаметр, возраст, класс бонитета, полнота, запас древесины, класс товарности лесного насаждения, подрост, подлесок, тип леса и др. [2]. Характеристики леса можно разделить на две группы: первичные (непосредственно физически измеряемые) и производные рассчитываемые на основе эмпирических соотношений. Спутниковые определения являются в большинстве случаев производными на основе исследований закономерностей и связей параметров лесной среды со спектральными и текстурными характеристиками оптических и радиолокационных изображений объектов исследования. Методы радиолокационной интерферометрии и поляриметрии позволяют количественно оценить ключевые характеристики лесной среды такие как высота и биомасса.
В ИФМ СО РАН в настоящее время проводятся исследования возможности комбинирования оптических и радиолокационных интерферометрических и поляриметрических данных для определения характеристик хвойных и смешанных лесов Байкальского региона и создания технологии дистанционного определения количественных таксационных характеристик [3]. В данной статье представлены промежуточные результаты исследований по определению высоты лесного полога на основе разности интерферометрических фаз Х- и Lдиапазонов (TanDEM-TerraSAR-X и ALOS PALSAR). Основной целью данного блока исследований является анализ систематических и случайных ошибок интерферометрических измерений высоты.
Характеристика территории и объекта исследования. Территория исследования Верхняя Березовка располагается на севере г. Улан-Удэ и представляет собой пригородную зеленую зону в отрогах горного хребта Улан-Бургасы. Географические координаты полигона: 5154 с.ш. и 10611 в.д. Местность в основном покрыта сосновым лесом, с небольшими включениями лиственницы, березы, осины, ольхи и др. на дерново-лесных и супесчаных почвах. Средние высоты в данной зоне не превышают значений 800–1000 м, превышение высот над долинами р. Селенга и Уда составляет до 310 м. Поверхность склонов, впадин и гребней холмов относительно гладкая, местами присутствуют противопожарные рвы, изрезанные овраги глубиной 3–5 м и более.
Климат является умеренным резко континентальным, засушливым. Диапазон значений температуры за период метеонаблюдений 1847–2018 гг. составил 95С: от –54,4 С в 1931 г., до + 40,6С в 2016 г.. Среднемесячные температуры варьируются от –23,3С в январе до +19,8С в июле [4]. Среднегодовая температура варьируется от –3,5 в 1850 г. до +1,7 в 2007 г., в среднем –1,23С, наблюдается положительный тренд, прирост составляет +0,0215С/год. Количество осадков невелико. Среднемесячные значения варьируются от 3 мм в февралемарте до 68 мм в августе, среднегодовое количество осадков – 265 мм. Снежный покров устанавливается на 130 дней/год, среднемесячная толщина в ноябре-марте достигает 4–12 см, максимально – 30 см. Влажность воздуха варьируется от 49% в мае до 77–78% в декабре– январе. Уровень солнечной радиации высок, варьируется от 93 ч/мес. в декабре до 288 ч/мес. в мае– июле, что составляет более 2400 часов/год.
Подспутниковые и спутниковые измерения произведены сначала на 36 тестовых участках площадью 900–1200 кв.м. Затем это число было доведено до 84. Из них n1=21 пункт на относительно плоских участках с уклоном менее 5, n2=42 – на восточных склонах с уклоном 10–15, и n3=21 на западных и юго-западных склонах с уклоном 10–15. На рисунке 1 представлена трек Garmin и схема расположения 36 тестовых участков во время первых экспедиций в апреле-мае 2018 г. В качестве подложки использован снимок Ресурс-П Геотон от 30 марта 2018 г. с пространственным разрешением 2 м. Породный состав преимущественно представлен сосной, на отдельных участках редкие вкрапления березы, ольхи, акации, кустарников. По данным полевых измерений: для спелых деревьев диаметр стволов варьируется от 15 до 41 см, высота от 9 до 26 м. Для молодняка диаметр стволов 6–10 см, высота 6– 10 м. Высота кустарников менее 2 м.
Рис.1. Трек Garmin и схема расположения тестовых участков подспутниковых и спутниковых измерений на полигоне верхняя Березовка во время двух первых экспедиций 2018 г. также были проведены полевые измерения диаметров стволов на высоте 1,2 м и суммы площадей сечений стволов в древостое S. Использованы следующие средства измерения: 1) GPS-навигатор Garmin – для определения местоположения (широты, долготы и 3) высотомер-эклиметр ЭТ-1П и рулетка – для измерения высоты Hполев (м) и расстояния до деревьев r (м), а также уклона участков (в градусах); 4) линейка – для измерения диаметра деревьев (d, см).
На каждом тестовом участке произведено по три измерения каждой характеристики с П, видовое число Hf и запас насаждений. Результаты сведены в таблицу. В таблице 1 для примера представлены основные характеристики: высота (х1), запас древостоя (х2), полнота ра также представлены средние значения ̅, среднеквадратичные отклонения (ско ) и вариации (Var) по данной выборке (n=36): ̅= 1 ∑ ; = √1 ∗ ∑ ( − ̅)2 :
= ̅∗ 100% ; (1) № п/ п Методика и результаты спутниковых измерений высоты на основе разности интерферометрических фаз Х- и L-диапазонов. Для определения высоты лесного полога используется комбинация радиолокационных интерферометрических данных L-диапазона (25 см) ALOS PALSAR (интерферометрическая пара 20090728-20090912 на восходящей орбите) и Х-диапазона (3 см) TANDEM-X от 27 октября 2012 г. и 26 сентября 2016 г. На основе данных Х- и L-диапазонов рассчитана разность интерферометрическая фаз с пространственным разрешением R = 5 м/пс или 0,000083 = 0,005 = 0,3 пс–1 до конвертации снимков в картографическую систему UTM WGS84. Предварительно была выполнена частичная коррекция рельефа местности с помощью данных SRTM (с разрешением 50 м). Разность интерферометрических фаз в двух выбранных диапазонах соответствует отражению радиолокационных сигналов от нижней подстилающей (L-диапазон) и верхней огибающей (Х-диапазон) поверхностей лесной среды или толщине лесной среды. Данные представлены в комплексной форме, которые были конвертированы и разложены на 5 составляющих: 1) амплитуда (Pw); 2) амплитуда в логарифмическом виде (Mg); 3) реальная составляющая (Re); 4) мнимая составляющая (Im); 5) фазовая составляющая (Ph).
Для типовых объектов (водная поверхность рек Селенга и Уда, участки городской и сельской застройки, участки без растительности, участки леса и т.п.) были определены статистические и текстурные характеристики растровых изображений Pw, Mg, Re, Im, Ph, такие как среднее значение, диапазон значений DN, вариация, коэффициент асимметрии (skew). Для них были установлены пороговые значения и комбинации условий, построено дерево решений и выполнена классификация. На рисунке 2 приведен фрагмент результата классификации для полигона Верхняя Березовка. В частности, класс 9 соответствует участкам лесной растительности. Условия кластеризация лесных массивов соответствуют средним значениям яркости, незначительными вариациями DN всех показателей, отрицательными значениями реальной части: {{(–2.35<Pw<–2.00) OR (0.14<Mg<0.40)} AND (Re<0)}.
Рис.2. Результат классификации с применением дерева решений. Классы: фон – 1; водные объекты – 5; участки открытой почвы – 2, 3, 4, 8; лес – 9; сельская застройка – 6; городская застройка – 10; горы (передние склоны) – 7.
Последняя компонента разложения Ph дает возможность оценить толщину лесного покрова Hint. Для оценки высоты леса Hint производится инверсия интерферометрической разности фаз и преобразование с учетом того, что разности фаз =2π соответствует разность высот равная для тандемных съемок 2012 г. и 2016 г. соответственно HTDX-2012 =18,667 м и HTDX-2016 =26,676 м: = 2– ℎ ∗ м. При этом диапазон значений Нint [0; HTDX] м. Очевидно, при достижении максимального значения HTDX, происходит обнуление высоты, что необходимо учитывать при наличии участков леса с более высокими деревьями. На полигоне Верхняя Березовка высота деревьев менее 25 м (по выборке n=84).
На рисунке 3 демонстрируется сравнение подспутниковых (Низм – линии красного цвета) и спутниковых измерений высоты леса в 36 пунктах (Нинтерф – крестики) по данным Рис 3. Сравнение подспутниковых и спутниковых измерений высоты леса на полигоне Верхняя Березовка по данным TDX-2012 (а) и TDX-2016 г. (б).
= сист + случ (3) Систематические ошибки обусловлены технологией производства интерферометрических и подспутниковых измерений высоты и определяются как средние значения по выборке ошибок i или как разность средних спутниковых и подспутниковых значений высот: сист = 1 ∑ = ̅̅̅̅̅ − ̅̅̅̅̅̅ изм 1,73 и +0,21 м. Скорректированные с учетом систематических ошибок спутниковые значения высоты леса приведены на рисунках 3 линиями синего цвета. Разница в значениях сист вызвана отчасти четырехлетним интервалом между тандемными съемками 2012 и 2016 г., отчасти разницей HTDX, обусловленной различиями базового расстояния. Последний фактор проявляется на рис. 3. На рис.3а для участков леса с высотой более 18 м наблюдается систематическое занижение спутниковых измерений, в то время как на рис.3б этот эффект «по
Остаточные случайные ошибки обусловлены локальными различиями как характеристик лесной среды, так и физических и геометрических условий съемки. Они представлены на графиках прямоугольниками серого цвета. Справа приведена отдельная шкала значений ошибок определения высоты. СКО(случ), значения которых характеризуют абсолютную точность спутниковых измерений высоты, равны соответственно 2,50 и 3,70 м. Относительная точность соответственно равна 14 и 21 %, при нормативной точности определения высоты при дешифровочном способе таксации 15 % [5].
Проведен корреляционно-регрессионный анализ зависимости ошибок (y) от четырех факторов: высоты деревьев (полевые измерения) – x1; запаса древостоя – x2; полноты – x3; диаметра деревьев – x4. Были составлены линейные уравнения парной и множественной регрессии, вычислены коэффициенты корреляции и детерминации (см. табл.2). Таблица 2. Корреляционная матрица и уравнения линейной парной регрессии ошибок спутКоэффициенты линейной корреляции Уравнение регрессии 0,3 см (0,1 %), х4 – на 2 см (0,9 %) усредненных высот; и относительные (14 и 21 %) показатели точности определения высот по данным х1 1 0,7962 х2 1
ЛИТЕРАТУРА [1] "Лесной кодекс Российской Федерации" от 04.12.2006 N 200-ФЗ (с изменениями и дополнениями, вступившими в силу с 01.01.2019) [2] Мартынов А.Н., Мельников Е.С., Ковязин В.Ф., Аникин А.С. Основы лесного хозяйства и таксация леса. СПб: Лань. 2012. 3-е изд. 432 с. [3] Чимитдоржиев Т.Н., Дмитриев А.В., Кирбижекова И.И., Шерхоева А.А., Балтухаев А.К., Дагуров П.Н. Дистанционные оптико-микроволновые измерения параметров леса: современное состояние исследований и экспериментальная оценка возможностей // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 4. С. 9-26. [4] Справочно-информационный портал «Погода и климат»:
http://www.pogodaiklimat.ru/history/30823.htm (дата обращения 22.06.2019). [5] Технический регламент по проведению контроля за качеством лесоучетных работ ФГУП «Рослесинфорг». Приложение №1 к приказу от 13 марта 2013 г.