Показатели горизонтальной структуры лесов и их дистанционная оценка на основе оптических спутниковых данных (лекция)

Плотность распределения лесов на поверхности Земли описывается их вертикальной и горизонтальной структурой. Под показателями горизонтальной структуры лесов понимаются характеристики, описывающие пространственную плотность проективного покрытия земной поверхности заданной территории элементами древесной растительности на различных уровнях структурной дифференциации, включая элементарные фракции деревьев (вегетативные органы, ветви и стволы), кроны и насаждения.
Горизонтальную структуру древесного полога принято характеризовать на разных уровнях детальности. Для описания горизонтальной структуры полога леса на уровне некоторой территории часто используют показатель лесистости, на уровне отдельного насаждения - сомкнутость крон и проективное покрытие древесного полога леса, а с точки зрения определения хозяйственной ценности принято пользоваться относительной полнотой древостоя. Между всеми указанными выше характеристиками существует тесная связь, однако, например, соотношение между сомкнутостью крон и относительной полнотой меняется в зависимости от породы, возраста, состояния насаждений и условий произрастания. Поэтому модельные зависимости между показателями в основном имеют локальный характер и строятся для одной породы в пределах одних лесорастительных условий, что накладывает ограничения на их применение на протяженных территориях.
Необходимость оценки показателей горизонтальной структуры лесов определяется тем, что часть из них является лесоинвентаризационными показателями, необходимыми для планирования лесохозяйственных работ и лесозаготовки. Кроме того, показатели горизонтальной структуры служат важным компонентом при построении экологических моделей, так как они тесно связаны с количеством биомассы и запасом углерода. Изменение показателей горизонтальной структуры свидетельствует о процессах, происходящих в лесах, то есть о вырубках, пожарах, ветровалах и усыханиях, поэтому ряд задач мониторинга лесов с использованием спутниковых данных требует наличия информации о динамике данных показателей.
Наземные измерения и данные ДЗЗ являются двумя основными источниками информация о горизонтальной структуре лесов. Показатели на основе полевых исследований обладают более высокой точностью по сравнению с их аналогами, полученными по спутниковым данным, так как последние являются результатом применения модели, преобразующей коэффициенты спектрального отражения земной поверхности в искомую характеристику, и включают в себя погрешность моделирования. В то же время использование спутниковых данных для оценки данных характеристик имеет неоспоримые преимущества регулярности и автономности и позволяет одновременно охватывать большие площади, что невозможно при наземных обследованиях.
Методы оценки показателей горизонтальной структуры на основе оптических данных ДЗЗ можно разделить на несколько групп: методы на основе эмпирических моделей, физических моделей и машинного обучения. Многолетнее применение данных оптических систем ДЗЗ для картографирования лесного покрова продемонстрировало их чувствительность к пространственной структуре лесов, расположению теней и просветов в пологе, поэтому данные широко используются для картографирования пространственного распределения лесов. Хотя наиболее частые показатели горизонтальной структуры, оцениваемые по спутниковым данным – проективное покрытие древесного полога леса и лесистость, с точки зрения использования на практике гораздо больший интерес представляют такие характеристики, как сомкнутость крон и полнота леса.
В настоящее время большинство ежегодных картографических продуктов глобального и континентального масштабов построены на основе данных низкого и среднего пространственного разрешения. Это связано прежде всего с сложностью алгоритмов обработки данных и современным состоянием вычислительных мощностей. В этой связи ежегодная оценка характеристик горизонтальной структуры лесов по данным Landsat TM/ETM+/OLI и Sentinel-2 MSI является предметом исследования научного сообщества.
Доклад выполнен при использовании инфраструктуры хранения и обработки спутниковых данных Центра коллективного пользования "ИКИ-Мониторинг".