Экология/Экологический мониторинг

д.б.н. Фомин В. В.

Уральский государственный лесотехнический университет, Россия

Михайлович А. П.

Уральский федеральный университет, Россия

Методика оценки пространственно-временной динамики древесной растительности с использованием исторических ландшафтных фотографий

Аналоговые фотографии и цифровые изображения широко используются при проведении исследований в различных научных областях. Кроме того, что изображения обладают высокой степенью наглядности, они также являются вместительными и относительно дешевыми хранилищами большого объема информации (Dahdouh-Guebas et. al., 2008).

В экологических исследованиях исторические наземные фотографии используются достаточно давно. Метод наземного фотографического мониторинга (МНФМ) для пейзажных фотографий был разработан профессором С. Финстервалдером (S. Finsterwalder) в конце XIX века. Начиная с 1888 года, он фотографировал и наносил на карту ледниковые изменения в восточных Альпах (Hall, 2001). В основе данного метода лежит сравнение ранее сделанной фотографии с тем, что наблюдается на местности, либо в сравнении двух и более фотографий с одной и тоже точки фотосъемки, полученных в разное время.

При проведении исследований с использованием метода наземного фотомониторинга необходимо учитывать следующие факторы, которые могут затруднять проведение сравнительного анализа изображений: технические параметры фотоаппаратуры, различия в характеристиках используемой фотопленки или технологии получения цифровых изображений, время года и погодные условия, время суток, точность определения мест повторной фотосъемки.

Цель исследований - разработка методики автоматизированного анализа наземных геоизображений для фотоэкологического мониторинга естественных и антропогенных ландшафтов. Отработка ее элементов для изображений естественных ландшафтов была произведена с использованием повторных исторических ландшафтных фотографий, сделанных проф. С. Г. Шиятовым, на Полярно-уральском мониторинговом полигоне (горный массив Рай-Из) в шестидесятых годах XX и начале XXI веков. В качестве модельной территории для получения изображений антропогенных ландшафтов был выбран район исследований – территория, прилегающая к Среднеуральскому медеплавильному заводу (СУМЗ, Свердловская область, г. Ревда). На рис. 1 приведена пара наземных фотографий, сделанных проф. Шиятовым в 1962 и 2004 гг. соответственно.

А	Б

Рис. 1. Исторические ландшафтные фотографии горного массива Рай-Из (Полярный Урал), сделанные в 1962 (А) и 2004 (Б) гг. проф. Шиятовым

С учетом приведенных выше фактов был разработан оригинальный подход к анализу повторных исторических ландшафтных фотографий. На первом этапе анализа определяется секторы видимости фрагментов местности из точек фотосъемки. Определение границ и конфигурации участков области видимости сектора производится в геоинформационной системе с использованием функций анализа видимости на основе данных о местоположения точки фотосъемки и цифровой модели рельефа. В результате выполнения данного этапа для каждой точки фотосъемки создается геоинформационный слой – сектор, состоящий из областей видимости (рис. 2).

А	Б

Рис. 2. Результаты выделения участков на карте, которые видны на наземном фотоснимке. А - сектор, границы которого соответствуют левой и правой сторонам фотоснимка. Б- области интереса, на которых произрастает древесная растительность. Ближний план (до 200 м) выделен черным цветом, средний план (200-700 метров) закрашен серым цветом. Дальний план выделен серым цветом с точками.

В ходе второго этапа анализа проводится соотнесение фрагментов области видимости и фрагментов наземной фотографии (рис. 2). Изображение сегментируется вручную на ближний, средний и дальний планы в соответствии областями видимости векторного слоя. В качестве характерного объекта для выделения планов на изображении используются отдельные деревья и древостои. Ближнему плану, соответствует расстояние от точки фотосъемки до 200 м от точки фотосъемки. Средний план - 200-700 м, Дальний план - свыше 700 м.

На следующем этапе в автоматизированной системе анализа изображений в каждом сегменте производится выделение маски объектов и рассчитывается отношение площади маски объектов к площади. Значения данного показателя, полученные для «старого» и «нового» снимков используются при расчете индекса, характеризующего динамику древесной растительности:

(1)

где x₂ – доля фазы (%), соответствующая древесной растительности на более позднем изображении, x₁ – доля фазы (%), соответствующая древесной растительности на более раннем изображении, t – временной интервал (лет) между анализируемыми снимками

Необходимо учитывать, что полученная таким образом оценка изменений характеризует весь сегмент в целом, при этом распределение растительности в нем, может быть неоднородным. Альтернативой этому может быть ручное определение границы растительности на карте по изображению. Выполнение последнего может быть чрезвычайно затруднено ввиду того, что определение границы растительного сообщества очень часто является нетривиальной задачей. Кроме того точность определения границы на сегментах среднего и дальнего планов относительно невелика из-за их относительно небольшого размера на фотографиях.

Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-04-12114-офи-м) и Министерства образования и науки РФ (проект  5.530.2011).

Литература:

Dahdouh-Guebas F. Long-term retrospection on mangrove development using transdisciplinary approaches: A review. / F. Dahdouh-Guebas, N. Koedam // Aquatic Botany 2008, vol. 89. p. 80-92.

Hall F. C. Ground-Based Photographic Monitoring. / F. C. Hall // General Technical Report PNW-GRT-503 U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Pacific Northwest Research Station – Portland. 2001. C. 1-40.