КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-77-00016

НазваниеРазработка метода моделирования нарушенности растительного покрова для снижения риска природных катастроф на основе дешифрирования данных дистанционного зондирования.

РуководительПолевщикова Юлия Александровна, Кандидат сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет", Республика Марий Эл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-712 - Геоинформатика, дистанционное зондирование Земли и географическая картография

Ключевые словаРастительный покров, лесные насаждения, дешифрирование, дистанционное зондирование, мультиспектральные спутниковые снимки, тематическое картографирование, мониторинг, моделирование, нарушенность, база данных ГИС.

Код ГРНТИ68.47.75

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность решения научной проблемы. В центре научного исследования находится проблема мониторинга нарушенности растительного покрова для снижения риска природных катастроф с применением геоинформационных технологий. Основное внимание будет уделено разработке методики по оценке и прогнозированию пространственной динамики лесного растительного покрова в среде ГИС. В работе будут использоваться теоретические предположения и гипотезы об антропогенной деятельности, смещении границ распространения лесов и динамики изменений в связи с изменением климата. Полученные результаты пройдут валидацию и сопоставление со статистическими данными природопользования и лесного хозяйства. На основе результатов тематического картирования будут построены прогнозные модели динамики лесов по породному составу, возрасту и площади в исследуемом регионе. В результате созданные базы данных ГИС, тематические карты и долгосрочные прогнозы состояния лесного фонда будут важны для решения проблем по лесной политике, экологии, вопросам изменения климата и землепользования в России. Научная новизна. Впервые на региональном уровне для Среднего Поволжья будет разработана и апробирована методика моделирования нарушенности растительного покрова на основе обширной базы полевых данных и серии разновременных спутниковых снимков (1985-2017 гг.). Разработанные рекомендации по использованию полученного алгоритма и закономерностей при инвентаризации и мониторинге лесного покрова Среднего Поволжья. Исследование причин и масштабов нарушений растительного покрова как на глобальном, так и на региональном уровне является критическим при выработке решений по эффективному управлению лесным хозяйством и окружающей средой. Понимание влияния различных факторов на динамику лесного покрова в более широком контексте требует проведения долгосрочного дистанционного мониторинга. Исследования данных вопросов особенно актуально для лесов регионов России, которые за последние десятилетия были подвергнуты сильным пожарам, засухам, приведшим к их усыханию, нарушенности. Вопросами такого характера занимались российские ученые (Алексеев И.А., Барталев С.А., Демаков Ю.П., Денисов С.А., Сухих В.И. и др.). Остаются недостаточно изученными вопросы о пространственно-временных масштабах таких нарушений, моделирования возможных сценариев динамики растительного покрова. Разрешение данных вопросов требует применения современных подходов пространственно-временного анализа и детального мониторинга состояния лесного покрова с использованием данных спутниковой съемки. В связи с этим исследование по разработке метода моделирования нарушенности растительного покрова имеет важное научно-практическое и прикладное значение в осуществлении дистанционного мониторинга растительного покрова Среднего Поволжья. Актуальность темы исследования подтверждается приоритетными направлениями дистанционного мониторинга для инвентаризации лесов. С развитием информационных технологий и современных методов дистанционного зондирования Земли все большее применение находят программные обеспечения для работы с данными ГИС. Они позволяют снизить трудозатраты на подобные исследования и получать оперативную информацию о состоянии растительности на больших территориях. Основой для мониторинга состояния и прогнозирования динамики будущих изменений является использование спутниковых снимков разного разрешения и времени съемки, что дает возможность выявлять различия в изменении растительного покрова. Поэтому разработка программных приложений и создание баз данных ГИС мониторинга растительного покрова является приоритетным направлением на сегодняшний день.

Ожидаемые результаты
При выполнении проекта будет создана следующая научно-техническая продукция. 1. Методики: • Обработки и комбинирования различных типов мультиспектральных спутниковых снимков (Modis, Landsat, RapidEye, Resurs-B) для оценки классов растительного покрова в масштабе 1:25000 – 1:100000 в программных пакетах ENVI 5.2 и ArcGIS 10.3. • Моделирования нарушенности растительного покрова на тематических картах разновременных спутниковых снимков за последние четыре десятилетия (породного состава, смены лесопользования, вырубок, пожаров, изменения климата). Количественной оценки точности тематического картирования по наземным и спутниковым данным. 2. Математические модели: • Статистических характеристик спутниковых изображений лесных массивов разного породного состава в среде ГИС. • Пространственно-временной динамики нарушений лесного полога и прогнозные модели их состояния в Среднего Поволжья. • Многофакторные модели пространственной взаимосвязи динамики лесного покрова с независимыми факторами. 3. Тематические карты • Распределения лесного покрова на территории исследований с 1985 по 2017 гг. • Интегрированная карта нарушенности растительного покрова за 1985-2017 гг. в Среднем Поволжье. • Прогнозные карты динамики растительного покрова Среднего Поволжья. 4. Алгоритмы: • Распознавания классов лесного покрова на спутниковых изображениях Landsat. • Автоматической оценки параметров нарушенности лесных насаждений по спутниковым снимкам в среде ГИС. • Выявления степени нарушенности лесного покрова на основе индекса «Disturbance index». • Неуправляемой классификации разновременных спутниковых сцен Landsat для выделения классов лесного покрова и индекса его нарушенности • Сопоставления вновь полученных тематических карт нарушенности лесного покрова Среднего Поволжья по снимкам Landsat со спутниковыми картами и данными низкого разрешения (Modis). • Оценки точности тематического картографирования по снимкам среднего и высокого разрешения (Landsat, RapidEye, Resurs-B). • Тематическое картографирование лесных гарей на основе алгоритма объектно-ориентированного анализа изображения (OBIA - Object-Based Image Analysis). • Моделирования и прогнозирования нарушений в растительном покрове Среднего Поволжья на основе многофакторного регрессионного анализа. 5. Сертификаты на разработанные базы данных в ГИС: • Полевых трансект и тестовых участков в лесных насаждениях Среднего Поволжья с описанием таксационных показателей основных древесных пород. • Классов легенды растительного покрова на спутниковых снимках среднего и высокого разрешений. • Распределенная база ГИС по динамике нарушенности лесного полога лесов Среднего Поволжья. 6. Статьи в рецензируемых отечественных и зарубежных журналах. 7. Доклады на международных конференциях по теме исследования. 8. Монография. Вклад в развитие данной области науки. Планируемые исследования позволят повысить качество дешифрирования (классификацию) лесных насаждений на спутниковых снимках среднего и высокого разрешения, эффективность оценки динамики нарушенности растительного покрова по данным дистанционного зондирования, а также повысить точность тематического картографирования и прогнозирования пространственно-временных изменений природных объектов. Исследование по тематическому картографированию нарушений и динамики лесного покрова на основе данных спутниковой съемки и ГИС-технологий могут внести значительный вклад в развитие теории и методологии лесной инвентаризации, автоматизированного лесного дешифрирования и картографирования. Общественная значимость. Практические и теоретические результаты исследования будут внедрены в деятельность лесничеств, органов государственной власти по управлению лесным хозяйством, экологической безопасности и природопользования. Созданная база данных нарушенных участков будет использована для комплексного анализа данных в сочетании с экономическими, экологическими или социальными факторами для прогнозирования развития ситуации в лесном секторе и управления окружающей средой. Созданная тематическая карта динамики лесного покрова будет использована для защиты населения как дополнительный информационный ГИС-ресурс для принятия решений по устойчивому лесопользованию.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Результаты проводимых исследований актуальны для лесов региона Среднего Поволжья, которые за последние десятилетия были подвергнуты сильным пожарам, засухам, приведшим к их усыханию, ветровалам и буреломам. Остаются недостаточно изученными пространственно-временные масштабы таких нарушений, выявления закономерностей их периодичности, моделирования возможных сценариев динамики лесного покрова с учетом биотических и абиотических факторов. Понимание влияния различных факторов на нарушенность лесного покрова с использованием данных спутниковой информации на региональном и глобальном уровне является критическим при выработке решений по эффективному управлению лесным хозяйством. В связи с этим разработан алгоритм моделирования нарушенности лесного покрова на тематических картах разновременных спутниковых снимков за последние четыре десятилетия, включающий методику обработки и комбинирования различных типов мультиспектральных снимков, а также методику выявления степени нарушенности растительного покрова на основе индекса нарушенности DI. В ходе научного исследования проведен аналитический обзор литературных источников, на основе которых использовались теоретические предположения и гипотезы об антропогенной деятельности, смещении границ распространения лесов и динамики изменений в связи с изменением климата и природных катастроф. Заложены тестовые участки на исследуемой территории растительного покрова с подробным описанием состояния древостоев. Закладка тестовых участков проводилась на территории лесничеств Республики Марий Эл, Чувашии, Татарстан и Нижегородской области для создания базы данных полевых исследований. Тестовые участки были заложены на площадях наиболее представленных участков чистых и смешанных лесных насаждений. Все данные, в том числе, данные сгоревших участков лесных площадей, усыхающих древостоев, вносились в учетные ведомости для дальнейшей обработки и анализа растительного покрова по спутниковых снимкам Landsat. Алгоритм моделирования нарушенности лесного покрова на тематических картах разновременных спутниковых снимков включает использование многофакторного регрессионного анализа (Multicriteria Decision Analysis), выполняемого в среде ArcGIS. Комбинирование разновременных спутниковых данных и классических статистических приемов позволяет провести пространственно-временной анализ взаимосвязи объектов растительного покрова, а также выявить и описать факторы, влияющие на нарушения лесов. Такой анализ позволяет получать модели прогноза возможности повторения какого-либо пространственного события (нарушения) в будущем. В конечном итоге, пространственный анализ данных лесного покрова может служить важной основой для принятия решений при планировании и проведении работ по защите и воспроизводству лесов. Сформированный алгоритм оценки распределения и пространственной взаимосвязи (автокорреляции) объектов лесного покрова получен на основе многофакторного анализа зависимости интегрированного показателя нарушенности лесного покрова исследуемой территории от ее других пространственных параметров. На основе результатов тематического картирования будут построены прогнозные модели динамики лесов по породному составу, возрасту и площади в исследуемом регионе. В результате созданные базы данных ГИС, тематические карты и долгосрочные прогнозы состояния лесного фонда будут важны для решения проблем по лесной политике, экологии, вопросам изменения климата и землепользования в России.

 

Публикации

1. Полевщикова Ю.А, Forest disturbance assessment with Landsat data in Middle Volga region Seventh International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment, - (год публикации - 2019)

2. Полевщикова Ю.А. Disturbance analyses of forest cover dynamics using remote sensing and GIS IOP CONFERENCE SERIES: EARTH AND ENVIRONMENTAL SCIENCE, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1088/issn.1755-1315

3. Полевщикова Ю.А. Monitoring and comparative analysis of land use changes on the example forest region of Finland Publisher of SGEM Vienna GREEN Conference proceedings, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.5593/SGEM_GeoConference

4. Полевщикова Ю.А. Пространственно-временной анализ нарушенности лесного покрова по данным спутниковой съемки Сборник тезисов докладов шестнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса"., Сборник тезисов докладов шестнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 2018 год, 51 с. (год публикации - 2018)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В последние годы для мониторинга растительного покрова, как на глобальном, так и на региональном уровне все большее применение находят спутниковые данные, имеющие существенные преимущества по сравнению с традиционными наземными методами исследований. В работе разработан и апробирован алгоритм пространственно-временного анализа динамики нарушенности растительного покрова на основе комплексной методики с использованием спутниковых снимков среднего пространственного разрешения в ретроспективном анализе данных. В ходе научного исследования проведен аналитический обзор литературных источников, на основе которых использовались теоретические предположения и гипотезы об антропогенной деятельности, смещении границ распространения лесов и динамики изменений в связи с изменением климата и природными катастрофами (лесные пожары). В основе работы был разработанный алгоритм моделирования и прогнозирования отклика нарушенности лесных экосистем на стрессовые ситуации в виде засушливых периодов и антропогенной деятельности по заданным критериям в форме пороговых значений этих параметров (лесные пожары, вырубки, усыхания древостоев, повышение температуры и влажности) на основе многофакторного регрессионного анализа и вегетационных индексов. Методика работы включала обработку и комбинирование различных типов мультиспектральных снимков, создание тематических карт по разновременным спутниковым снимкам за последние четыре десятилетия, выявление степени нарушенности лесного растительного покрова на основе индекса нарушенности DI за 1985-2018 годы, создание модели динамики изменения растительного покрова и прогнозирование нарушенности с учетом независимых факторов, статистический анализ в среде ГИС. На основе результатов тематического картирования и моделирования динамики изменения (нарушенности) растительного покрова построены прогнозные модели карт динамики лесов по породному составу, возрасту и площади в исследуемом регионе. Комбинирование разновременных спутниковых данных и классических статистических приемов позволило провести пространственно-временной анализ взаимосвязи объектов растительного покрова, а также выявить и описать факторы, влияющие на нарушения лесов. Результатом работы стали модели прогноза возможности повторения какого-либо пространственного события (нарушения) в будущем. Сформированный алгоритм оценки распределения и пространственной взаимосвязи (автокорреляции) объектов лесного покрова получен на основе многофакторного анализа зависимости интегрированного показателя нарушенности лесного покрова исследуемой территории от ее других пространственных параметров. Пространственный анализ данных лесного покрова может служить важной основой для принятия решений при планировании и проведении работ по защите и воспроизводству лесов. В результате созданные базы данных ГИС, тематические карты и долгосрочные прогнозы состояния лесного фонда будут важны для решения проблем по лесной политике, экологии, вопросам изменения климата и землепользования в России. Данные о проекте освящены в средствах массовой информации Государственной телевизионной и радиовещательной компании Марий Эл под названием «Лес под контролем: молодой ученый из Марий Эл» (http://www.gtrkmariel.ru/news/news-list/the-forest-is-under-the-control-of-a-young-scientist-of-the-mari-el-republic-received-2-grants-of-th/).

 

Публикации

1. Полевщикова Ю.А. Using remote sensing and GIS to monitor of land cover change in the Middle Volga region during 1985-2014 IOP CONFERENCE SERIES: EARTH AND ENVIRONMENTAL SCIENCE, - (год публикации - 2020)

2. Полевщикова Ю.А. Use of integration of GIS-based map algebra for land use change SPIE Conference Proceeding, - (год публикации - 2020)

3. О. Н. Воробьев, Э. А. Курбанов, Ю. А. Полевщикова, С. А. Лежнин Пространственно-временной анализ динамики лесного покрова в Среднем Поволжье по спутниковым данным: монография Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2019. –166 с. (год публикации - 2019)

4. Полевщикова Ю.А. Assessment of the impact of land use change on ecological security Материалы международной научной конференции «Устойчивое управление лесами в меняющемся мире», Conference session 4: EVOLUTIONARY MANAGEMENT of FORESTS (год публикации - 2020)

5. - Лес под контролем: молодой ученый из Марий Эл получила 2 гранта Президента России Государственная телевизионная и радиовещательная компания Марий Эл, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Научная значимость результатов проекта обусловлена разработкой новых методик по оценке экологической безопасности, тематического картографирования по спутниковым данным, разработанными алгоритмами, ГИС-проектами, результатами пространственно-временного анализа и использования адаптивных моделей c целью снижения риска природных катастроф. Результаты проекта рекомендованы Рослесхозу, Российскому лесоустройству, Департаменту экологии и природопользования республик и областей Среднего Поволжья. В целевую группу также входят лесные вузы Российской Федерации (Санкт-Петербург, Москва, Йошкар-Ола, Уфа, Екатеринбург, Воронеж), которые будут использовать полученные результаты в учебном процессе через сетевое взаимодействие в рамках общей магистратуры и аспирантуры.