ЛІС ІЗ КОСМОСУ

Перспективи дистанційного зондування Землі для вирішення лісівничих завдань

Міжнародний українсько-чеський проект «Система диференційованого ведення господарства в лісових екосистемах Українських Карпат» (№ 33/MZE/ B/08-10) виконується згідно з підписаним Меморандумом про взаєморозуміння між українськими та чеськими партнерами з 2008 р. Територією, де на практиці розроб¬ляються пропозиції з диференційованого (всебічного) ведення лісового господарства, є ліси Максимецького та Бистрицького лісництв Державного підприємства «Надвірнянське лісове господарство». Ці пропозиції передбачають пошук оптимальних рішень та перспектив щодо:
• виділення типів і категорій лісів;
• використання методів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) у лісовому господарстві;
• планування екологічної мережі в лісових екосистемах;
• виділення природних біотопів у лісових екосистемах.

У червні цього року у філіалі Фрідек-Містек Інституту управління лісами Чеської Республіки в рамках проекту було проведено робочу зустріч експертів з методів дистанційного зондування Землі та членів робочої групи з цього напряму. Україна на цій зустрічі була широко представлена: від УкрНДIгiрлiсу – координатором проекту Юрієм Шпариком; від ВО «Укрдержліспроект» – Олегом Алексіним; від Національного лісотехнічного університету України – Василем Костишиним; від Національного університету біоресурсів та природокористування України – Світланою Кохан, Віктором Миронюком і Дмитром Гілітухою. Чеська Республіка була представлена директором філіалу Фрідек-Містек Мареком Млчоушеком, Філіпом Гаєком – фахівцем з використання методів ДЗЗ у лісовому господарстві і Робертом Класеком – фахівцем з GPS. У ході робочої зустрічі Світлана Кохан зробила огляд теоретичних основ дистанційного зондування Землі, типів і характеристик сучасних сенсорних систем, а також представила можливості практичного застосування результатів обробки даних ДЗЗ. Філіп Гаєк надав інформацію щодо застосування космічних знімків у лісовому господарстві Чеської Республіки і проаналізував можливості класифікації лісів за допомогою програмного засобу Erdas Imagine 9.3, який буде використано у проекті для обробки космічних знімків. Юрій Шпарик та Олег Алексін зробили загальний огляд сучасного використання космічних знімків у лісовому господарстві України і зазначили, що цей процес перебуває тільки на етапі визначення завдань та оцінки ефективності.

Коротко про терміни. Космічний знімок – це цифровий знімок території Землі, який виконано з космічних літальних апаратів з допомогою відповідних датчиків (сенсорів) і на відповідних частотах (довжинах хвиль). Космічні знімки бувають чорно-білі (PAN) або багатоканальні, на яких може бути різна кількість каналів. Сенсор – це спеціальний пристрій, щоперетворює відбитий від поверхні Землі світловий спектр у цифровий знімок на властивих для цього сенсору довжинах хвиль. Розмір пікселя, або просторове розрізнення, – це найменший лінійний розмір об’єкта, який можна розпізнати на певному космічному знімку. За результатами проведеної зустрічі визначено основні перспективні напрями використання методів ДЗЗ у лісовому господарстві України:

1. Встановлення контурів лісових масивів. Завдання має вирішуватися з урахуванням рівня ведення лісового господарства. Для базового рівня (окреме господарство) доцільно використовувати знімки з розрізненням 0,7–2,0 м (сенсори EROS B, Ikonos, Ресурс-ДК, QuickBird). Знімки з розрізненням 5–15 м можуть використовуватись і на базовому (IRS-1D PAN, Cartosat-5, Spot-5, ALOS), і на регіональному рівнях (Terra/Aster). Для національного рівня найбільш придатним тут є знімки з розрізненням 30–50 м (TM, ETM+, Hyperion). Найкращі результати за співвідношенням «ціна–якість» для виконання подібних робіт дають космічні знімки з розміром пікселя 5–10 м у панхроматичному діапазоні.

2. Визначення породного складу деревостанів. Для вирішення цього завдання слід використовувати сенсори з просторовим розрізненням від 2 до 30 м залежно від потрібного масштабу проведення робіт. Так, якщо завдання передбачає пошук лісових ділянок визначеної наперед породи в рамках одного господарства (3–5 тис. га), то просторове розрізнення космічних знімків має бути на рівні 2–5 м. Якщо потрібно оцінити співвідношення головних порід у лісах цілої області чи природного регіону, доцільно використовувати сенсори, що характеризуються просторовим розрізненням 10–30 м. На рис. 1, як приклад такої роботи, представлено результат дешифрування знімку космічного апарату Spot-5 за вереснь 2007 р., яке було виконане в Науковому центрі аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України за опрацьованими в попередні роки методиками.

Територія, наведена знімку Spot-5, охоплює переважно лісові масиви ДП «Надвірнянське лісове господарство» і частково ліси ПЗ «Ґорґани», а також включає дослідну територію проекту «Система диференційованого ведення господарства в лісових екосистемах Українських Карпат». Отримані результати свідчать про можливість ідентифікації на космічних знімках основних господарських угідь та визначення їх площі. Точність таких розрахунків на знімку Spot-5 становила 25 кв.м (розмір пікселя 5 м), що значною мірою задовольняє потреби лісового господарства. Подальше впровадження та використання сучасних методик дешифрування, у тому числі використання «м’яких» класифікаторів та методів нечіткої логіки, субпіксельної класифікації, сприятиме пошуку деревостанів заданих порід з використанням мульти- та гіперспектральних космічних знімків залежно від поставлених завдань. Уже тепер на знімку Spot-5 можна відділяти вирубки, які заростають деревами і чагарниками, від вирубок, на яких росте тільки трав’яна рослинність, а також, молодняки від зрілих лісів з великим деревами. Це дає можливість відстежувати сукцесії на вирубках і на невкритих лісом землях для поточного планування заходів з лісовідновлення. У цілому знімки з розміром пікселя 5х5 м. можуть задовольнити потреби лісогосподарських підприємств у картографічному матеріалі для планування лісогосподарських заходів. На регіональному рівні проведено дешифрування знімка Landsat-7/ETM+ (рис. 2), який охопив майже повністю Івано-Франківську і частково Львівську, Закарпатську та Чернівецьку області. Білим контуром на рис. 2 наведено територію знімка Spot-5, результати класифікації якого містяться вище. В результаті класифікації знімка Landsat (за тими самими методами Наукового центру аерокосмічних досліджень Землі) одержано тематичний растр, результати якого можна використовувати при вирішенні лісогосподарських завдань на регіональному рівні. Візуально видно, що в другому випадку отримано дещо більшу площу хвойних лісів на дослідній території проекту. Це пояснюється ігноруванням території малих за площею (декілька сотих гектара) або вузьких (до 30 м) за формою лісових ділянок листяних лісів, які розташовані між ділянками хвойних лісів. А оскільки домінують тут саме хвойні ліси, то і збільшення їх площі відчутне. Цікаво, що дешифрування угідь за знімком Spot-5, навпаки, збільшило площу листяних лісів на цій території, очевидно за рахунок занадто малого розміру пікселя – бралися до уваги навіть окремі великі дерева бука, які не формують окремих лісових ділянок з перевагою бука.

Однак слід відзначити, що порівняння результатів класифікації знімків з різним просторовим розрізненням є дещо некоректним, оскільки в кожному окремому випадку вирішуються завдання різних рівнів. 3. Контроль за станом (пошкодженнями) лісів. Оцінка поточного стану лісів за космічними знімками значною мірою ускладнена через необхідність урахування темпорального розрізнення, яким характеризуються різні сенсорні системи, а також тривалістю терміну після замовлення знімка та його одержанням. Тому оперативний контроль за станом лісів проводити практично неможливо і на базовому, і на регіональному рівнях. Але, за наявності архівних знімків досліджуваної території, можна здійснювати аналіз стану лісів за минулі роки або вивчати динаміку поширення хвороб і шкідників лісу в часі. При аналізі стану лісів у межах окремого господарства оптимальні результати одержують при використанні знімків з просторовим розрізненням 1–15 м. 4. Контроль вологості лісових ґрунтів (екосистем). Це завдання є важливим з позицій прогнозування приросту і стану лісових екосистем, а в гірських умовах – для попередження паводків. За вологістю ґрунтів на початку вегетаційного сезону можна прогнозувати величину річного приросту або відсоток втрат деревини. З попередженням паводків проблема полягає в неможливості або в дорожнечі отримання актуальних космічних знімків. Перспективним для вирішення цього типу завдань є використання радарних знімків.

Отримані внаслідок дискусій висновки щодо перспектив використання космічних знімків та їх базові характеристики. Крім проаналізованих вище напрямів використання космічних знімків, у таблиці 2 також вказано інші перспективи методів ДЗЗ у лісовому господарстві України, які автори підібрали за даними літератури. Загальним висновком є те, що космічні знімки за останні десятиріччя успішно пройшли перевірку можливості їх господарського застосування, поліпшили свою розрізненість з кількох сотень метрів до кількох дециметрів (у тисячу разів) і вже тепер їх використання сприяє вирішенню лісівничих завдань на різних рівнях господарювання.

Юрій Шпарик, Український науково-дослідний інститут гірського лісівництва,
Марек Млчоушек,
Філіп Гаєк, Інститут управління лісами Чеської Республіки,
Світлана Кохан, Національний університет біоресурсів і природокористування України,
Олексій Сахацький,
Галина Жолобак, Науковий Центр аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України

Перелік посилань: 1. Сахацький О.І., Лялько В.І, Азімов О.Т., Сибірцева О.М., Ходоровський А.Я., Шпортюк З.М. , Бідна С.М.Використання багатозональних космічних знімків з метою вивчення рослинності Зони Відчуження ЧАЕС // Новi методи в космiчному землезнавствi. — Київ: ЦАКДЗ IГН НАНУ, 1999. — С. 105—113. 2. Sakhatsky A.I., McCallum J., Khodorovsky A.Ja, Bujanova I.Ja. (2005) Classification of space images for forest state identification within the Siberia region (Part 1) // IIASA, Laxenburg, Austria, IR-02-29 – 45 p. 3. Lyalko V.I., Nilsson S., Sakhatsky A. I., Shvidenko A., McCallum J., Hodorovsky A. Ja., Harechko O. G. (2005) Earth observation of Ukraine and Siberia for an estimation of their state, fire risk and carbon cycle. // In «New Strategies for European Remote Sensing». М.Oluic (ed.) – Rotterdam: Millpress, ISBN 905966003X , 2005 – P. 269-277. 4. Парпан В.І., Шпарик Ю.С., Лялько В.І., Сахацький О.І., Жолобак Г.М., Киселюк О.І. Космічні знімки Українських Карпат / “Лісовий і мисливський журнал” – Київ – 2006, № 3 – С. 13 5. Кохан С.С. Класифікація даних дистанційного зондування Землі з космосу: сучасні тенденції. / Науковий вісник НАУ. – Київ, 2006. – Вип. 104. – С.102-112. 6. Шпарик Ю.С., Сахацький О.І., Беркела Ю.Ю. Ідентифікація пралісів Карпат за космічними знімками, як основа планування туристичної діяльності / Зб.: «Екотуризм і сталий розвиток у Карпатах» – Рахів, 2007 – С. 357-361. 7. Дистанційне зондування Землі: теоретичні основи. С.Кохан, А.Востоков. – К.: Вища школа, 2009. – 511 с.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Top