Соколова Е.В. КЛ_АМвЛХ

Спектрометрирование проводят в лабораториях или полевых условиях, находясь на поверхности объекта, или с летательных аппаратов.

Критерии отражательной способности используют при планировании аэро- и космических съемок. С помощью коэффициентов спектральной яркости решают следующие задачи:

выбирают одну или несколько зон спектра, в которых проводят съемку объектов земной поверхности для получения на снимках наилучшего разделения изображений изучаемых объектов;

определяют время суток и сезон съемки, которые обеспечат решение предыдущей задачи;

разрабатывают технические требования к спектральной чувствительности приемников излучения съемочных систем;

определяют тип съемочных систем, применение которых позволит получить изображение, используемое для решения конкретной задачи.

Оптимальные зоны спектра и время съемки выбирают аналитическим или графическим способом с последующим аналитическим контролем правильности выбора.

Интегральные и спектральные индикатрисы рассеяния используют для расчета угла захвата съемочной системы, в пределах которого неравномерность пространственного отражения снимаемых объектов не окажет влияния на изменение оптической плотности или цвета их изображений от центра к краю снимка. Такие съемочные системы можно считать фотометрическими. В зависимости от типа объектов угол должен быть в интервале от 3 до 30°. Топографические съемочные системы имеют угол захвата съемочной системы значительно больший. В этом случае, для исключения влияния неравномерности пространственного отражения, на снимках ограничивают рабочую площадь, размер которой рассчитывают в соответствии с углом, определяемым с помощью индикатрис рассеяния.

4 . 3 . С п е к т р а л ь н ы е , о т р а ж а т е л ь н ы е с в о й с т в а л е с н о й р а с т и т е л ь н о с т и

Спектральные отражательные характеристики природных образований несут в себе специфический вид информации о поверхности Земли и являются основой дистанционных методов ее исследования.

Поток лучистой энергии, прошедший через атмосферу Земли, изменяется по интенсивности и спектральному составу. Он делится на три составные части: поглощенную, отраженную (рассеянную) и пропущенную (прямую). Поток лучистой энергии, состоящей из прямо и рассеянной солнечной радиации, при падении на объект также делится на три части: пропущенную, отраженную и поглощенную. Различные объекты живой и неживой природы имеют неодинаковые соотношения между этими составляющими светового

потока. Так, например, верхняя поверхность листа тополя в зеленых лучах поглощает 74% света, пропускает 16% и отражает 10%. В красных лучах - соответственно 92, 3 и 5%, в инфракрасных лучах - 3, 50 и 47%. В длинноволновой части спектра (более 2 мкм) поглощение справа увеличивается, что предупреждает растения от излишнего охлаждения.

Лучистая энергия, прошедшая через освещенный объект, вследствие избирательного поглощения и рассеяния по спектральному составу отличается от падающего света. Часть ее в результате рассеяния внутри объекта вновь поступает в земную атмосферу.

Практический интерес для съемки имеет отраженная энергия, слагающаяся из энергии излучения, отраженного непосредственно поверхностью объекта, и энергии излучения, рассеянной внутренними структурными частями. При этом информация о спектральных отражательных свойствах объекта заложена в рассеянной энергии излучения, так как эта рассеянная внутренними элементами радиация является результатом взаимодействия падающего излучения с внутренним содержанием объекта.

Часть поглощенной энергии лучистого потока, затраченная на нагревание поверхности, возвращается в мировое пространство в виде теплового излучения, которое лежит в ИК области спектра, на этом тепловом излучении объектов базируется инфратепловая съемка. У некоторых природных объектов (растений, органических веществ и т.д.) поглощенная солнечная радиация вызывает люминесценцию, на которой основана люминесцентная съемка.

У всех древесных пород в летний период rλ (коэффициент спектральной яркости - КСЯ) имеют примерно одни и те же величины и закономерности это характерно также для нелесных и не порытых лесом площадей.

Коэффициенты спектральной яркости (КСЯ) объектов неживой природы такой закономерности не имеют. Все растительные сообщества летом характеризуются в видимой области спектра максимумом поглощения в синей и оранжево - красной зонах. Форма кривых КСЯ имеет максимум в зеленой области спектра (λ= 540-580 нм), минимум - в синефиолетовой (λ =400470 нм) и красной (λ =680-690 нм).

Отражательная способность деревьев и насаждений зависит от фенологического их состояния. Весной молодая листва (хвоя) всех древесных пород значительно ярче; ее светло-зеленый тон в поздневесеннее время сменяется зеленым. Увеличение интенсивности зеленой окраски и снижение яркости листвы происходит постепенно, в процессе развития листа. Из древесных пород первой развертывает листву береза, через 1 0 - 1 5 дней - осина. Цвет хвойных пород .изменяется в течение вегетационного периода и за счет прироста более светлых (желто - зеленых) молодой хвои и побегов. Но новые побеги и молодая хвоя появляются несколько позднее и медленнее завязываются, чем у лиственных. Поэтому к моменту полного облист-

вения мелколиственных пород цвет хвойных деревьев определяется в основном свойствами старой хвои (их кроны имеют невысокую яркость). Существенные различия в яркости приводят к тому, что изображения на снимках хвойных и лиственных древостоев значительно контрастны. Осенью, когда завершается вегетация лиственных пород, их цвет и оптические свойства резко изменяются. В этот период наблюдаются наибольшие цветовые и тональные контрасты между лиственными и хвойными древесными породами при съемке на панхроматические и цветные пленки.

4 . 4 С е з о н н ы е у с л о в и я с ъ ѐ м к и

При изучении лесов съемку выполняют в определенные сроки, связанные с их фенологическим состоянием и свойствами фотопленок. Обычно съемку проводят после полного распускания листьев и до начала массового листопада (в зависимости от породы, лесорастительного района и почвенных условий). В Средней и Европейской части России - продолжительность развития листвы березы 20 - 35 дней, осины 15-30 дней, дуба 15-20 дней; осеннее пожелтение наступает сначала у березы и липы, у осины на 5 - 8 суток позднее, но протекает более интенсивно.

Поэтому время полного пожелтения листьев у обеих пород совпадает. Продолжительность листопада березы 15 - 40 дней, осины 10-30 дней.

Изучение фенологического состояния лесов показывает, что в лесной зоне России сроки проведения лесной аэрокосмической съемки наиболее удобно согласовывать с фенологическими изменениями березы и дуба. Береза распространена здесь повсеместно, у нее раньше, чем у других пород, начинается облиствение и пожелтение листьев. Н.Г. Харин (1965) составил фенологическую карту зеленения березы, которая может служить основой при планировании начала съемочных работ.

Снимки лучшего дешифровочного качества получают при съемках древесных пород в тот период года и в той зоне спектра, в которой отражаются наибольшие различия в их яркости. Летом отражательная способность хвойных и лиственных пород в пределах видимой области спектра почти одинакова. В связи с этим дешифрирование видимого состава насаждений по летним однозональным черно-белым снимкам на фотопленках, чувствительных к видимой области спектра - наиболее трудная задача. Лучшими дешифровочными свойствами обладают цветные спектрозональные и многозональные снимки, сенсибилизированные в видимой и ближней ИК зонах спектра.

Весной и осенью у древесных пород наблюдается большое различие в отражательной способности: весной - в желто - зеленых и красных лучах спектра (λ =500 - 650 нм), осенью - в оранжево - красных (λ = 600 - 700 нм).

Использование фотопленок, максимум чувствительности которых приходится на эти участки спектра, позволяет получить наиболее высокую дифференциацию по тону между хвойными и лиственными насаждениями. Для съемок весной нужно использовать ортохроматическую пленку, осенью - панхроматическую в сочетании со светофильтрами ЖС - 18 или ОС - 14 и спектрозональные пленки. Но осенние спектрозональные снимки в крупных и средних масштабах обладают худшими дешифровочными свойствами по сравнению с однотипными летними, так как разновременное пожелтение листвы у древесных пород в пределах одного контура (выдела) дает на аэрофотоснимках излишнюю пестроту в цвете одной породы, затрудняя дешифрирование состава. Осенние космические и мелкомасштабные аэроснимки на спектрозональных цветных пленках и полученные при многозональной съемке имеют повышенные дешифровочные качества за счет более резкой дифференциации растительности по группам пород и условиям места произрастания.

Съемку в осенний период проводят после начала массового пожелтения листьев и заканчивают до того времени, когда у лиственных пород опадет половина листвы.

В весеннее время съемку на ортохроматическую и панхроматическую аэропленки начинают через 2 недели после начала облиствения и заканчивают ее через 15 - 20 дней.

Дешифрировочные качества панхроматических и ортохроматических весенних и осенних снимков значительно выше, чем у летних. Съемку на цветне спектрозональные пленки начинают через месяц после начала облиствения березы и заканчивают при начале массового пожелтения листвы.

Контрольные вопросы:

1.Состав и строение атмосферы; диапазоны высот, с которых проводят аэро- и космические съемки в интересах изучения и оценки состояния лесов.

2.Показатели, характеризующие оптические свойства природных объ-

ектов.

3.Зоны электромагнитного спектра, в которых проводят фотографические, сканерные, лазерные, телевизионные и радиолакационные съемки.

4.Особенности спектральной отражательной способности различных групп лесной растительности.

5.Оптимальные метеорологические условия проведения аэрокосмических съемок лесов.

6.Оптимальные сезонные сроки проведения аэрокосмических съемок

лесов.

ЛЕКЦИЯ 5 - ДЕШИФРИРОВАНИЕ АЭРОФОТОСНИМКОВ (2 ЧАСА)

5.1. Виды и методы дешифрирования 5.2 Дешифровочные признаки 5.3 Аналитическое дешифрирование.

5.4 Измерительное дешифрирование

5.5 Основы ландшафтного дешифрирования.

5 . 1 В и д ы и м е т о д ы д е ш и ф р и р о в а н и я

Дешифрирование аэрофотоснимков — это опознание исследуемых объектов местности на аэрофотоснимках, установление их количественных и качественных характеристик по фотоизображению. Понятие «дешифрирование» в буквальном смысле — расшифровка, разбор, прочтение написанного условными знаками (в специальной литературе часто употребляют принятый за рубежом термин «интерпретация» — «толкование»). Дешифрирование как метод изучения земной поверхности по аэрофотоснимкам является составной частью технологического комплекса работ по составлению топографических карт и характеристик ландшафта, выявлению и учету сырьевых ресурсов и др.

В зависимости от поставленных задач дешифрирование аэрофотоснимков подразделяют на два вида: общее, или комплексное (топографическое, ландшафтное и др.), и отраслевое, или специальное (лесное, геологическое, сельскохозяйственное и пр.). Каждый из этих видов имеет определенное целевое назначение.

Лесное дешифрирование направлено на выявление по аэрофотоснимкам категорий лесных земель и разделение их на однородные участки, определение планового положения этих участков и их характеристик. С учетом более конкретных задач лесное дешифрирование подразделяют на лесохозяйственное, выполняемое при обследовании вырубок, гарей, ветровалов, естественного возобновления, лесных культур, зараженных энтомовредителями участков и др., и лесотаксационное — при инвентаризации лесов.

Лесотаксационное дешифрирование подразделяют на контурное (выделение в лесном фонде топографических, общегеографических объектов и таксационных участков для картографирования и последующего описания) и таксационное (определение по фотоизображениям характеристик и таксационных показателей — состава, возраста, полноты, запаса и др., выделенных при контурном дешифрировании участков или других объектов).

Дешифрирование подразделяют на глазомерное (аналитическое), измерительное (инструментальное) и автоматическое (машинное). При глазомерном дешифрировании исследуемый объект описывают, анализируя его фотоизображение при рассматривании аэрофотоснимков невооруженным глазом или с помощью стереоскопов. При измерительном дешифрировании применяют оптико-механические приборы, имеющие специальные устройства для измерений фотоизображений, а при автоматизированном— сочетают челове-

ко-машинный анализ, обработку и преобразование информации, содержащейся на снимках, с помощью высокочастотных электронно-оптических систем и ЭВМ.

В зависимости от места производства дешифрирование может быть полевое (выполняется непосредственно на местности путем сопоставления с ней аэрофотоснимка) и камеральное (в лабораторных условиях с применением более сложных приборов, что позволяет тщательнее и детальнее анализировать фотоизображения).

В зависимости от решаемых задач, географических условий исследуемой территории и др. факторов дешифрирование аэрофотоснимков выполняется различными методами.

Полевой метод - это дешифрирование непосредственно на местности, путем сопоставления с ней аэрофотоснимка. При этом одновременно наносятся на снимки, не изобразившиеся на них объекты. К числу последних относятся объекты, появившиеся после производства аэрофотосъемки, объекты небольших размеров, не изобразившиеся на снимках данного масштаба. Полевой метод характеризуется высокой точностью и объективностью результатов, но требует значительных затрат времени и денежных средств.

Аэровизуальный метод дешифрирования может быть отнесен к числу полевых. Он заключается в распознавании изображений объектов на снимках

ссамолета или вертолета. Этот метод требует специальной подготовки исполнителей по быстрому ориентированию в полете и безошибочному опознаванию объектов на снимках в течение короткого промежутка времени.

Камеральный метод дешифрирования снимков состоит в получении информации об объектах местности в камеральных (лабораторных) условиях без их полевого изучения. Это возможно выполнить только при условии знания географических особенностей исследуемой территории и объектов, для нее характерных.

При камеральном методе дешифрирования снимков широко используется способ дешифрирования по эталонам.

Эталонами называются снимки, на которых показан пример дешифрирования территории с характерными особенностями ландшафта для данного участка.

Камеральный способ дешифрирования предусматривает распознавание объектов и определение их характеристик путем логического анализа фотоизображения и использования, специальных оптико-механических и других устройств (приборов).

Основой для распознавания служат дешифровочные признаки, определенным образом изображающиеся на снимках.

Достоверность и полнота камерального дешифрирования повышаются

сиспользованием вспомогательных материалов и сведений о местности (результатов ранее выполненного дешифрирования, картографических материалов прошлых лет, различных справочников, специальной литературы и т.п.).

Комбинированный метод дешифрирования заключается в сочетании процессов и технологических приемов полевого и камерального дешифрирования. Основной объем работ при этом выполняют в камеральных условиях,

а в полевых условиях выявляют те объекты или их характеристики, которые невозможно получить в камеральных условиях. По завершении всех работ по дешифрированию производят полевой контроль результатов.

Комбинированное дешифрирование сочетает в себе высокую производительность камерального, полноту и достоверность полевого методов дешифрирования.

Исходные положения лесного дешифрирования. Результаты лесного дешифрирования аэрофотоснимков зависят от ряда факторов, взаимосвязанных непосредственно или косвенно. Чтобы правильно дешифрировать аэрофотоснимки, нужно знать лесоводственно-биологические свойства произрастающих на данной территории насаждений, особенности их видового состава и возрастной структуры, характер строения в зависимости от возраста, состава и полноты; взаимосвязи между таксационными и дешифровочными показателями отдельных деревьев и древостоев в целом; особенности рельефа местности, типов почвогрунтов, гидрологических условий; приуроченность насаждений к тем или иным условиям местопроизрастания и закономерные связи с ними видового состава древостоев, классов бонитета и типов леса. Необходимо учитывать также фенологическое состояние насаждений в момент аэрофотосъемки.

На характер фотоизображения насаждений, кроме их природных особенностей, влияют условия аэрофотосъемки и другие факторы. Наиболее существенные из них следующие: атмосферно-оптические (освещенность, высота и азимут Солнца в момент фотографирования, облачность, наличие дымки); спектральная отражательная способность и контрастность объектов; свойства аэрофотоаппаратов, аэропленок и светофильтров; особенности фотолабораториой обработки (проявление фильма и изготовление контактных отпечатков). Успешное дешифрирование аэрофотоснимков невозможно без учета характера влияния этих факторов. Следовательно, приступая к дешифрированию аэрофотоснимков, необходимо четко представлять природные условия работ, условия аэрофотосъемки и знать технические данные аппаратуры и светочувствительных материалов.

Качество дешифрирования прямо зависит: от особенностей зрительного восприятия и психического состояния дешифровщика; от свойств приборов, которые он применяет; от условий работы (освещенности, оборудования рабочего места и др.); от степени теоретической подготовки и тренировки исполнителей.

Только всесторонний учет совместного влияния всех перечисленных факторов на характер фотоизображения насаждений позволяет получить максимум информации об объектах дешифрирования.

5 . 2 Д е ш и ф р о в о ч н ы е п р и з н а к и

Дешифрирование начинается с распознавания изображенных на аэрофотоснимке объектов по свойственным им признакам. Одни из них воспри-

нимаются наблюдателем непосредственно, другие — косвенно. Чтобы охарактеризовать дешифрируемые объекты присущими им показателями, надо знать их геометрические и физические свойства, а также взаимосвязи этих свойств друг с другом и с другими объектами и средой.

К прямым дешифровочным признакам относят форму и размеры изображений объектов в плане и по высоте, общий (интегральный) тон чернобелого или цвета цветного изображений, текстуру изображения.

Форма в большинстве случаев является достаточным признаком для разделения объектов природного и антропогенного (искусственного) происхождения. Объект, созданные человеком, как правило, отличаются правильностью конфигурации, имеют в основном правильную геометрическую форму.

Объекты местности естественного происхождения (ручьи, реки, озера, овраги, границы естественных угодий, лесных участков и т.д.) имеют криволинейные неправильные очертания.

При выполнении лесного дешифрирования по форме кроны на аэроснимках опознают древесные породы, поскольку каждой из них свойственна определенная форма кроны.

Однако, использование только формы изображения объектов еще недостаточно для их распознавания, так как одну и ту же форму могут иметь различные объекты. Поэтому одновременно с формой в качестве дешифровочного признака используют и размер изображения.

Размер зависит от масштаба фотоснимков, который в большинстве случаев известен, хотя бы приближенно. Это позволяет судить о величине объектов в натуре, что дает дополнительную информацию об их содержании.

При дешифрировании аэроснимков размеры объектов очень часто позволяют опознать и составить его характеристику.

Тон изображения обусловлен яркостью объекта. Все многообразие элементов местности передается на фотоизображение целой гаммой тонов - от светлого до черного. Тон позволяет выделить объект на окружающем его фоне. Светлыми тонами изображаются на снимках сухие дороги, песчаные отмели, освещенные скаты крыш зданий, серыми пашни, более темными - лесные массивы, озера, реки.

Если применять цветные и спектрозональные снимки, то в качестве дешифровочного признака используют цвет. На цветных снимках элементы местности имеют близкие к естественным цвета. На таких снимках большое значение имеют соотношения цветов, особенно при дешифрировании растительности, гидрографии и др.

В лесном дешифрировании тон (цвет) изображения имеет исключительно большое значение, т.к. во многих случаях позволяет определить состав, возраст, класс бонитета и состояние насаждений.

Структуры (текстура) фотоизображения является совокупностью нескольких признаков (формы, размера, тона и др.) и служит важным дешифровочным признаком многих естественных объектов местности, не имеющим характерной формы. Этот признак является достаточно устойчивым и отно-

сится к наиболее информативным. По зернистой структуре изображения легко распознаются леса, сады, кустарники, лесопосадки и т.д.

Вформировании текстуры значительную роль играют собственные тени и падающие тени. Текстура является производным от совокупности рассмотренных выше признаков. Ее иногда относят к группе комплексных признаков.

Тени не являются непосредственными свойствами объектов, а лишь отображают их особенности и поэтому используются как вспомогательный признак. Падающие тени успешно используют при дешифрировании линий электропередач, отдельных деревьев, изгородей и т.д.

Косвенные дешифровочные признаки основаны на существовании в природе закономерных взаимосвязей между объектами местности и проявляются в приуроченности одних объектов к другим, а также в изменении свойств одних объектов в результате влияния на них других.

Вкачестве косвенных признаков, имеющих значение в лесном дешифрировании, можно указать следующие: изученные предварительно особенности строения и состава насаждений позволяют по одной - двум породам в составе определить примесь третьей или наличие второго яруса в тех случаях, когда эти показатели не находят непосредственного изображения на аэроснимках; расположенные участки на возвышенных или пониженных местах указывают на соответствующий режим увлажнения почвы, тип леса и, следовательно, на возможную производительность насаждения; соотношение возраста и высоты насаждений позволяет определить класс бонитета и др.

Необходимо иметь ввиду, что полнота и достоверность дешифрирования может быть достигнута лишь при использовании дешифровочных признаков в их совокупности.

5 . 3 А н а л и т и ч е с к о е д е ш и ф р и р о в а н и е

При аналитическом дешифрировании путем рассматривания аэрофотоснимков под стереоскопом анализируют известные признаки дешифрирования насаждений, изучают в каждом конкретном случае природные условия, строение древостоев, ландшафтные особенности и их взаимосвязи с морфологическими признаками древостоев, а затем по результатам комплекса факторов составляют таксационную характеристику.

При рассматривании аэроснимков под стереоскопом фактически анализируют не только общий рисунок изображения полога, но и изменения в высоте деревьев и величине промежутков между кронами, а также наличие второго яруса. Такое изучение стереоскопической модели разных насаждений позволяет более правильно дешифрировать их состав.

При дешифрировании состава древостоев используют комплекс прямых и косвенных признаков дешифрирования - формы и размеры проекций крон и различие между ними, тон (цвет) их изображения, тени, общий характер (структуру и текстуру) рисунка, а также результаты предварительного изучения связи между составом насаждений и элементами рельефа. При де-

шифрировании с помощью стереоскопов выявляется, прежде всего, есть ли различия в древесных породах по типичным формам и очертаниям проекций крон в центральной и краевой частях аэроснимка.

Для определения возраста древостоев используют совокупность прямых и косвенных признаков, в том числе размеры и форму крон деревьев, среднюю высоту древостоя, величину промежутков между кронами и степень просматриваемое насаждения в глубину, степень обособленности и длину крон, соотношение их максимальных и минимальных диаметров и др. Использование размеров и форм крон деревьев основано на том, что они с возрастом изменяются. В связи с этим при определении возраста учитывают различие в размерах и формах крон составляющих полог насаждения.

С возрастом диаметр крон увеличивается и происходит изреживание древостоя. Поэтому в соответствии с разрешающей способностью и масштабом съемки каждому возрасту свойственна своя степень обособленности проекции крон на аэрофотоснимках. Применительно к аэроснимкам (М 1:10000 - 1:15000) насаждений средней и выше средней полноты в молодняках I класса возраста проекции крон слитны; отдельные кроны становятся различимыми только в конце I - начале II классов возраста; во II и III - проекции крон воспринимаются обособленно, заметны их формы и дифференциация размеров; в IV - обособленность крон более четкая, между ними хорошо видны промежутки, площадь которых постепенно увеличивается.

Средняя высота древостоя. Среднюю высоту и диаметр определяют для каждого элемента леса отдельно. При аналитическом дешифрировании высоту отдельного дерева или среднюю высоту древостоя устанавливают глазо- мерно-стереоскопическим способом. Он основан на глазомерной оценке стереоскопической высоты древостоя с учетом величины вертикального масштаба, т.е. масштаба стереомодели в вертикальном направлении.

В этом случае высоту дерева определяют по формуле:

(mV - величина вертикального масштаба, мм; hct - стереоскопическая высота дерева или полога древостоя, мм), а величину вертикального масштаба - по формуле:

mV bгл Н

где р - расстояние наилучшего зрения, равное примерно 250 мм;

bсн - базис аэрофотоснимка; bгл - глазной базис, равный в среднем 65

мм;