способ определения состояния защитных лесных насаждений

Формула изобретения

Способ определения состояния защитных лесных насаждений, включающий выполнение аэрокосмической съемки поверхности с защитными лесными насаждениями в ранний летний период, преобразование полученного изображения в цифровой растровый формат, оконтуривание изображения защитных лесных насаждений с выделением контурами рядов деревьев, оценку фототона изображения в контурах по 256 уровневой шкале серого цвета, вычисление площадей выделенных контуров, привязку обработанного изображения к топографической карте и его трансформацию, отличающийся тем, что оценку состояния защитных лесных насаждений производят по отношению суммарной площади горизонтальной проекции крон деревьев, находящихся в нормальном состоянии к площади выделенного контура, с учетом формы горизонтальной проекции кроны, при этом оконтуривание осуществляется прямоугольными контурами, где ширина прямоугольника равна максимальной суммарной ширине горизонтальной проекции крон деревьев в насаждении, а длина равна длине насаждения с учетом опушечной горизонтальной проекции крон деревьев, в этих контурах выделяют эталонные участки древостоя, соответствующие наилучшему состоянию древостоя и устанавливают для них среднюю величину фототона (F_cpN) и стандартное отклонение ( ), выявляют диапазон фототона ( F_N), определяющий состояние деревьев, как нормальное, при этом диапазон фототона принимается F_N=F_2N -F_1N, где нижний уровень диапазона фототона F_1N=F_cpN- , верхний F_2N=F_cpN + , вычисляют общее количество пикселей в контуре (n _к), вычисляют количество пикселей в контуре отнесенное к диапазону F_N (n_N ), при этом состояние защитных лесных насаждений определяют по формуле

где А - коэффициент формы горизонтальной проекции кроны, учитывающий особенности породного состава насаждения, при этом принимается, что если D более 0,8 - состояние ЗЛН соответствует экологической норме, D=0,65-0,80 - экологическому риску, D=0,5-0,65, - экологическому кризису и при D менее 0,5 - экологическому бедствию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования древесной растительности, в частности, с помощью аэрокосмических снимков.

Из литературных источников [1, 2, 3, 4] известны методы аэрокосмического мониторинга экосистем, включающих лесные насаждения, и исследования их состояния, здесь приведены статистические данные и аналитические зависимости для дистанционной индикации состояния защитных лесных насаждений (ЗЛН), установлены уровни экологического состояния "норма - устойчивое насаждение ", "риск - малоустойчивое насаждение ", "кризис - расстраивающееся насаждение", "бедствие - отмирающее насаждение " [1, с.158-164, 341], [2, с.38-45], [3, с.111-126], [4, с.102].

Известен способ оконтуривания территорий растительных покровов по космическим снимкам, включающий радиолокационное зондирование с летательного аппарата в СВЧ-диапазоне, сопоставление характеристик отраженного сигнала с характеристиками зондируемого объекта и суждение по результатам сравнения о состоянии растительного покрова, при этом для каждого объекта растительного покрова определяют его объем, формирующий отраженный радиосигнал, а сопоставление характеристик этого сигнала осуществляют с характеристиками указанного объема объекта (SU 1379758, G01V 9/00, 07.03.1988). Недостатком этого способа является то, что определяются только объемные характеристики объектов исследований.

Известен способ оконтуривания территорий с защитными лесными насаждениями по космическим снимкам, включающий космическую фотосъемку с учетом фаз вегетации растительности, выделение аномальных по степени спектральной яркости площадей, проведение по ним наземных исследований, оценку состояния объектов растительности и оконтуривание территорий по результатам оценки (RU 2211465, G01V 9/00, 27.08.2003). Недостатком этого способа является необходимость дополнительного наземного исследования защитных лесных насаждений после каждой съемки.

Задачей изобретения является обеспечение дистанционного мониторинга состояния ЗЛН на основании аэрокосмической информации (аэрокосмофотоснимков, телевизионных изображений).

Сущность изобретения заключается в выполнении аэрокосмической съемки поверхности с защитными лесными насаждениями в ранний летний период, преобразовании полученного изображения в цифровой растровый формат, оконтуривании изображения защитных лесных насаждений с выделением контурами рядов деревьев, оценке фототона изображения в контурах по 256-уровневой шкале серого цвета, вычислении площадей выделенных контуров, привязке обработанного изображения к топографической карте и его трансформации, причем оценку состояния защитных лесных насаждений производят по отношению суммарной площади горизонтальной проекции крон деревьев, находящихся в нормальном состоянии, к площади выделенного контура с учетом формы горизонтальной проекции кроны. При этом оконтуривание осуществляют прямоугольными контурами, где ширина прямоугольника равна максимальной суммарной ширине горизонтальной проекции крон деревьев в насаждении, а длина равна длине насаждения с учетом опушечной горизонтальной проекции крон деревьев, в этих контурах выделяют эталонные участки древостоя, соответствующие наилучшему состоянию древостоя и устанавливают для них среднюю величину фототона (F_cpN) и стандартное отклонение ( ), выявляют диапазон фототона ( F_N), определяющий состояние деревьев, как нормальное, при этом диапазон фототона принимается F_N=F_2N -F_1N, где нижний уровень диапазона фототона F_1N=F_cpN- , верхний F_2N=F_cpN + , вычисляют общее количество пикселей в контуре (n _к), вычисляют количество пикселей в контуре, отнесенное к диапазону F_N (n_N ), при этом состояние защитных лесных насаждений определяют по формуле

где А - коэффициент формы горизонтальной проекции кроны, учитывающий особенности породного состава насаждения, при этом принимается, что, если D более 0,8, состояние ЗЛН соответствует экологической норме, D=0,65-0,80 - экологическому риску, D=0,5-0,65, - экологическому кризису и при D менее 0,5 - экологическому бедствию.

Изобретение поясняется фотографиями, представленными на фигурах 1, 2, 3. На фиг.1 представлен фрагмент космофотоснимка с защитными лесными насаждениями, на фиг.2 - выделение защитных лесных насаждений прямоугольными контурами, на фиг.3 - выбранные эталонные участки в защитных лесных насаждениях с нормальным состоянием древостоя.

Результат в способе достигается следующим образом.

Используют аэрокосмическую съемку участков поверхности с защитными лесными насаждениями II и III возрастных периодов в масштабе 1:25000-1:200000 (фиг.1) в ранний летний период. Осуществляют преобразование полученного изображения в растровый формат данных для обработки на электронно-вычислительной машине сканированием аэрокосмических фотоснимков или изображений, полученных в электронном виде. На полученных изображениях выделяют уровни серого цвета по шкале от 0 до 255 и рассчитывают количество пикселей, отнесенных к каждому уровню. На участках изображения с защитными лесными насаждениями выделяют прямоугольными контурами входящие в них ряды деревьев (фиг.2), при этом ширина прямоугольника равна максимальной суммарной ширине проекции крон деревьев в насаждении (b), а длина равна длине насаждения с учетом опушечной проекции крон деревьев (l). Вычисляют общую площадь выделенного контура (S_к) и количество пикселей в выделенном контуре (n_к), соответствующее этой площади, а также площадь одного пикселя (S_i). В выделенном контуре (фиг.3, поз.1) выбирают эталонные участки (фиг.3, поз.2), соответствующие наилучшему состоянию крон деревьев. Устанавливают для них среднюю величину фототона (F _cpN) и стандартное отклонение ( ). Выявляют диапазон фототона ( F_N), определяющий состояние деревьев как нормальное (деревья в насаждении здоровы и соответствуют возрасту и условиям произрастания), при этом диапазон фототона принимают - F_N=F_2n -F_1n, где нижний уровень диапазона фототона - F_1N=F_cpN- , верхний - F_2N=F _cpN+ . Оценивают распределение фототона изображения в контурах с ЗЛН по шкале серого тона. Вычисляют количество пикселей (n _N) в выделенном контуре, отнесенных к диапазону F_N, соответствующее суммарной площади крон деревьев, находящихся в нормальном состоянии (S _N). Состояние защитных лесных насаждений определяют по соотношению суммарной площади крон деревьев (площади полога) в нормальном состоянии (S_N) к площади выделенного контура (S_к), рассчитываемому через количество соответствующих им пикселей по формуле:

причем при D более 0,8 состояние ЗЛН соответствует экологической норме, D=0,65-0,80 - экологическому риску, D=0,5-0,65 - экологическому кризису и при D менее 0,5 - экологическому бедствию.

Значения коэффициента А, для некоторых древесных пород приведены в таблице.

Значения коэффициента формы горизонтальной проекции кроны
Порода	А
Дуб	1,10
Ясень	1,22
Вяз	1,07
Робиния	1,15
Клен	1,24
Гледичия	1,27
Тополь	1,32

Далее производят сопряженный анализ фотоизображения с топографической картой, выполняют привязку и трансформацию, наносят атрибутивную информацию, отражающую состояние обследованных насаждений.

Результатом является создание тематических карт состояния защитных лесных насаждений на основании аэрокосмической информации.

В целом предложенный способ перспективен, т.к. позволяет без дополнительных наземных исследований определить экологическое состояние ЗЛН, тенденции развития ситуации, координаты экологически опасных зон.

Литература

1. Дмитриев И.Д. Лесная авиация и аэрофотосъемка. / И.Д.Дмитриев, Е.С.Мурахтанов, В.И.Сухих. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1989. - 366 с.

2. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. "Наука". М., 1984. 320 с.

3. Сергеев Г.А., Янтуш Д.А. Статистические методы исследования природных объектов. "Гидрометеоиздат". Л.: 1973. 300 с.

4. Справочник по агролесомелиоративному устройству. / Павловский Е.С., Карган А.В. М.: Лесная промышленность, 1977 г., 152 с.