Динамика спектральной яркости изображения групп типов леса и морфоструктуры лесного полога на космических снимках Landsat

Тип леса (тип лесорастительных условий) является одной из основных классифи-кационных единиц в нарушенных лесах. Объединение лесных и безлесных участков, ко-ренных и производных лесов в группы типов леса, характеризующихся однородностью по климатическим и эдафическим факторам, позволяет дать представление об экологическом потенциале территории и тенденции лесообразования после нарушения лесного покрова. В процессе лесообразования изменяются признаки строения лесных экосистем (породно-возрастная структура, сомкнутость полога и др.), которые с определённой достоверностью распознаются на космических многозональных снимках. Анализ динамики спектральной яркости изображения участков разных групп типов леса и морфоструктуры лесного полога могут быть востребованы при прогнозе восстановления нарушенного лесного покрова на значительных территориях и для других лесоводственных задач.
Основные природно-физические факторы, влияющие на изменчивость спектраль-ной яркости изображений, полученных космическим спутником Landsat ТМ, описаны на примере насаждений зеленомошной, разнотравной, крупнотравной и сфагновой групп типов леса. Они образуют тёмнохвойные (из ели, пихты, кедра), светлохвойные (из сосны, лиственницы) и послерубочные производные (из берёзы и осины с участием сосны и лиственницы) леса Приангарского таёжного района Восточной Сибири. Для исследования выбраны насаждения лесного массива площадью более 100 тыс. га, расположенного в условиях возвышенного рельефа с перепадами высот над уровнем моря от 140 до 460 м. В работе использованы многозональные снимки Landsat ТМ, полученные в летний (16.06.1989 г.) и весенний (03.04. 1991 г.) периоды.
В ходе исследования первоначально проведена биогеоценотическая стратификация данных лесоустройства, при которой таксационные выделы сгруппированы в однородные по лесорастительным условиям биогеоценозы от начального этапа развития леса до 250 лет. Тем самым были образованы эколого-динамические ряды (ЭДР), характеризующие изменения породно-возрастной структуры насаждений разных групп типов леса. Система показателей ЭДР включала, помимо хронологически упорядоченных таксационных и морфологических показателей насаждений, значения спектральной яркости зональных изображений Landsat ТМ, характеристики рельефа и освещённости местности (в момент съёмки), рассчитанные в границах около 3500 лесоустроительных выделов.
В процессе статистической обработки ЭДР отмечены определенные тренды, опи-сывающие зависимость между изобразительными свойствами космических снимков и возрастной динамикой лесного покрова, которые наиболее ярко проявляются в насажде-ниях зеленомошной группы тёмнохвойных лесов. Для этой группы типов леса во всех спектральных каналах с увеличением возраста сохраняется общая тенденция к снижению уровня яркости изображения. Примерно до 50 лет наблюдается высокий уровень диспер-сии, т.е. неустойчивый характер яркости изображения, что связано со стадией формирова-ния насаждений, после 50 лет дисперсия значений спектральной яркости становится не-значительной, а снижение значений − монотонным. Скорость снижения яркости наиболее существенна в ближнем и среднем инфракрасных каналах (NIR и SWIR1) по сравнению с видимым диапазоном спектра. Поэтому данные каналы съёмки выбраны для более де-тального исследования связи спектральных характеристик изображений с долей участия хвойных пород в составе насаждений, независимо от групп типов леса.
Для сравнения возрастных изменений доли хвойных пород и динамики яркости изображения разных групп типов леса в качестве эталонных выбраны средние показатели коренных тёмнохвойных зеленомошных лесов. Поскольку в разнотравной и крупнотрав-ной группах тёмнохвойных лесов меньше хвойных пород в составе насаждений, чем в эталонной зеленомошной группе, увеличение яркости изображения в NIR-канале проис-ходит на протяжении практически всего возрастного периода. Из-за преобладания хвой-ных пород в насаждениях зеленомошной группы светлохвойных лесов в возрасте до 110 лет их яркость изображения в NIR-канале ниже значений яркости насаждений эталонной группы и превосходит её только в старовозрастных насаждениях. Доминирование лист-венных пород в насаждениях крупнотравной группы типов производных светлохвойных лесов обеспечивает превышение яркости изображения насаждений в NIR-канале по сравнению с эталонной зеленомошной группой до 30%. Значения яркости разных групп типов леса в канале SWIR1 меньше яркости изображения насаждений эталонной зелено-мошной группы в возрасте от 10 до 70 лет. Это означает, что в этот период влагосодержа-ние зелёной массы больше, чем в эталонной группе, и связано, скорее всего, с большим участием лиственных деревьев в составе насаждений.
Исследование насаждений со сложной морфологией позволили разработать алгоритм определения показателя морфоструктуры древесного полога, определяемый путём вычисления соотношения средних высот деревьев разных пород, общей площади проекций крон всех деревьев, площади проекций крон деревьев отдельных пород и сомкнутости полога насаждения. В практических целях предложено подразделение морфоструктуры древесного полога на сложную, средней сложности и относительно простую. В процессе исследования выявлены особенности зависимостей значений спектральной яркости изображения от показателя сложности морфоструктуры древесного полога насаждений различных групп типов леса. Лесные участки со сложной морфоструктурой полога, отличаются более высокой яркостью из-за наличия в несомкнутом древесном пологе большого числа открытых межкроновых просветов, освещаемая поверхность которых увеличивает интегральную отражённую радиацию. Наибольший уровень яркости изображения при различной сложности морфоструктуры древесного полога насаждений отмечается для разнотравной группы типов леса, в меньшей степени − зеленомошной и сфагновой групп. Высокий уровень дисперсии яркости изображения наблюдается в насаждениях зеленомошной и разнотравной групп типов леса, имеющих сложную морфоструктуру верхнего полога в период формирования и распада древостоев.
Для оценки воздействия на формирование значений спектральной яркости изобра-жения таких показателей рельефа как крутизна и экспозиция склонов, исследовано влия-ние освещённых и затенённых склонов в момент съёмки на уровень яркости изображения насаждений с разной морфоструктурой полога. Если для насаждений со сложной морфо-структурой полога отмечается увеличение яркости в ближнем и среднем инфракрасных каналах для освещённых склонов по сравнению с затенёнными, то для насаждений со средним уровнем сложности морфоструктуры возникает такое соотношение светотеней, которое понижает интегральную яркость изображения до уровня, характерного для зате-нённых склонов. Микрорельеф поросших лесом склонов круче 5° может быть неоднород-ным за счет разного наклона поверхности микросклонов внутри лесного участка. Разброс значений крутизны микросклонов указывает на неоднородность поверхности склонов внутри таксационных выделов и, соответственно, «рельефа» полога древостоя, что может влиять на формирование спектральной яркости изображения. Яркость изображения оста-ётся стабильной у тех участков, где вариация крутизны «микросклонов» не превышает 50-60%. При большем пороге указанной изменчивости крутизны «микросклонов» яркость изображения отличается существенной неустойчивостью значений.
Таким образом, в процессе исследования связей между изобразительными свойст-вами космических снимков, породно-возрастной динамикой лесного покрова и морфост-руктурой лесного полога выявлены тенденции (тренды) динамики спектральной яркости для различных групп типов леса. Полученные тренды характеризуют как основные зако-номерности изменений состояния лесных экосистем и тенденции лесообразовательного процесса, так и влияние показателей освещенности и рельефа на формирование спек-тральной яркости изображения лесного полога.