Лекция 3: Дешифрирование материалов аэро- и космических съёмок

свойства аэрокосмических изображений.
Объекты и методы лесного дешифрирования.
Последовательность дешифрирования аэрокосмических снимков

при визуальном методе.
Материалы съемки, используемые при визуальном дешифрировании.
Стереоскопический эффект. Стереоскопические измерения по снимкам.

Аэрокосмические методы в лесном деле

признаков.
Прямые дешифровочные признаки непосредственно характеризуют объект: форма, размер, тон

(цвет), тень, рисунок.

Минимальный размер объекта, отображаемого на снимке зависит от разрешающей способности изображения (R), складывающейся из разрешающей способности объектива (Rоб) и фотопленки (Rпл):
1/R = 1/Rоб + 1/Rпл= 1/50 + 1/200= 1/40 , R=40лин/мм.
Тогда линейное разрешение, т.е. минимальный размер отображаемого на снимке объекта составит
ρ= 1/(2R) = 1/(2 *40) =0,012мм
Визуальное восприятие объекта возможно при его размере не менее 0,1 мм, следовательно при дешифрировании следует использовать лупу с увеличением 8х (0,1мм/0,012мм=8)

Различают форму:
геометрически определенную (для искусственных сооружений);
неопределенную (для природных объектов).
Форма может быть точечной, линейной, площадной.

Аэрокосмические методы в лесном деле

Информационные и изобразительные свойства аэрокосмических изображений

соответствующем месте изображения объекта, зависящая от целого ряда факторов: отражательной

способности объекта, его внешнего строения, освещенности, времени съемки, влажности, режима фотопечати и т. п.
Из 256 градаций фотоизображения «оттенки серого» глаз человека различает только 25, а для дешифрирования достаточно 7 (белый, почти белый, светло-серый, серый, темно-серый, почти черный , черный).

снимке (церковь)
Рис. Длина тени объекта и рельеф местности

структура – пашня (3).
2
Рисунок изображения - характеризуется структурой (набор форм,

размеров, тонов или цве­тов и цветовых оттенков, участвующих в формировании рисунка)
и тек­стурой (пространственное расположение структур, их взаимное сочета­ние)

изображения:
Точечная (равномерная, неравномерная) структура - ре­дины, вырубки (1);
Мелкозернистая структура -

чистые сомкнутые молодняки (2);
Зернистая структура - чистые по составу или равномерно смешанные средневозрастные сомкнутые насаждения (3).
Крупнозернистая структура - чистые по составу или равномерно смешанные спелые сомкнутые насажде­ния (4).

и их характеристик в пространстве и во времени, опирающиеся на

результаты логической интерпрета­ции, основанной на знаниях о закономерностях и взаимосвязях между объектами, их характеристиками и природной средой.

Важнейшие косвенные признаки:

взаимо­связи между таксационными показателями древостоев и полога насаж­дений;
ландшафтные (природные) признаки, характеризующие природную структуру местности (рельеф, гидрография, типы почв);
антропогенные признаки (например, сеть лесовозных дорог, примыкающих к вырубкам);
природно-антропогенные косвенные признаки.

Объекты, используемые при опознавании и определении характеристик не дешифрирующихся непосредственно объектов, называют индикаторами, а дешифрирование - индикационным.

местности, их свойств и взаимосвязей по их изображениям на снимке

для составления карты или других целей с обозначением в условных знаках качественных и количественных характеристик .

Объектами лесного дешифрирования снимков являются:
а) лесной фонд и находящиеся на его территории объекты, а также происходящие в нем различные события и явления:
участок лесного фонда (лесной массив);
таксаци­онный выдел;
не покрытые лесом и нелесные земли (вырубки, гари, погибшие насажде­ния, прогалины, болота, сенокосы, пашни, дороги, трассы, гидрография, строения и сооруже­ния, очаги горения в лесу, пожарища, разливы нефтепродуктов, горные разработки и т. д);
группа деревьев, дерево или его часть.

б) количественные и качественные ха­рактеристики этих объектов, явлений и событий (таксационные показатели и др. характеристики).

Основной методологический принцип, применяемый в процессе дешифрирования — рассмотрение объектов в их развитии и взаимосвязи.

Аэрокосмические методы в лесном деле

необходимые для создания топографической карты в заданном масштабе:
- населенные пункты

и отдельные постройки;
- геодезические пункты;
- гидрографическую и дорожную сети, линии связи и относящимися к ним сооружения;
- естественный и культурный растительный покров и грунты;
рельеф местности и др.

По содержанию различают топографическое и специальное дешифрирование.

Лесное дешифрирование подразделяется на:
Контурное - установление гра­ниц лесного фонда, таксационных выделов и топографических объектов.
Таксационное - определение так­сационных показателей древостоев и описание других категорий зе­мель по их фотоизображениям.

Аэрокосмические методы в лесном деле

аналитиче­ское) - информацию считывает со снимков и анализирует человек; может

быть предварительная компьютерная об­работка снимков с целью облегчения их визуального дешифрирования),
способы: синте­зирование изображений,
квантование уровней видеосигналов,
фильтрация изображения и др.;

измерительное – предусматривает измерение по снимкам параметров объектов;

аналитико-измерительное (глазомерно-измерительное);

автоматизированное (интерактивное) - диалог «машина — оператор», «обучение» системы», контроль результата),
способы: классификация (отношение элементов изображения к
определенному эталонированному классу объектов);
кластеризация (разбиение объектов на группы (кластеры) по
сходству некоторых признаков с последующей идентификацией
этих групп).

автоматическое (машинное) – использование ЭВМ спец. программ, интерпретация элементов изображения без вмешательства оператора.

фиксированных величин - уровней квантования, делящих весь диапазон возможного изменения

значений сигнала на конечное число интервалов - шагов квантования.
Применяется при сканировании фотоснимков, т.е. преобразовании аналового фотоизображения в цифровое.

Аэрокосмические методы в лесном деле

в натуральных цветах;
б) фильтр – «инверсия изображения (негатив)»;
в) фильтр

– «стилизация – вычисление краев».

а)

б)

в)

Аэрокосмические методы в лесном деле

снимок лесного ландшафта (Лиственный лес)
b) Картосхема наземной таксации
c) Кластерная карта

- процесс логического анализа изображений человеком.
Привязка снимков - заключается

в определении пространственного (географического) положения территории, изобра­женной на снимке.
Три ступени дешифрировании :
- обнаружение;
- опознавание (идентификация) ;
определение характеристик (интерпретация).

Обнаружительная способность зрительного аппарата человека (выделение элемента изображения без определения его сути) зависит от:
остроты зрения,
контраста и резкости изображения наблюдаемых элементов,
освещенности изображения,
продолжительности наблюдения.

Аэрокосмические методы в лесном деле

- сличают снимок с местностью (наземный или аэровизуальный вариант).

Камеральный

способ дешифрирования заключается в логическом анализе изображения с использованием всего комплекса дешифровочных признаков (визуально-логический вариант). Используют вспомогательные материалы (снимки эталонов типичных участков , карты, данные о юридических границах лесопользования и др.).

Комбинированный способ дешифрирования:
Вариант 1 - камеральное дешифрирование полевая доработка сложных участков с контролем камерального дешифрирования;
Вариант 2 - избирательное полевое дешифрирование камеральное с использованием дешифрированных в поле снимков в качестве эталонов.

При выборе метода - оптимизационная задача - минимум затрат, макси­мум необходимой качественной информации.

Аэрокосмические методы в лесном деле

требования к ним.

Материалы съемки:
фотоснимки в исходном масштабе,

фотосхемы, увеличенные изображения, фотопланы, различные сочетания материалов съемки.

Аэрокосмические методы в лесном деле

Фотосхема – фотографическое изображение местности, составленное из рабочих площадей снимков.

Фотоплан — фотографическое одномасштабное изображение местности в стандартном масштабе, составленное из рабочих площадей трансформированных снимков, на фотоплан может быть нанесена координатная сетка.

Ортофотоплан — фотографическое изображение местности в ортогональной проекции.

для дистанционного мониторинга (ГИЛ):

1) Современные материалы аэрокосмических съемок с

пространственным разрешением не хуже 5 м, обеспечивающие качество и точность координатной привязки изображений не хуже 5 м;
2) Спектрозональные (мультиспектральные) и стереоскопические снимки.
В простых по лесорастительным условиям, структуре и составу лесонасаждениях могут применяться черно-белые аэро- и космические снимки.
3) Для получения наиболее объективной лесоучетной информации (разделение древесных пород) целесообразно использовать материалы многозональной съемки: в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК), и дополнительно - в естественных цветах (RGB).

Мультиспектральные изображения с разрешением на местности не хуже 5 м обеспечиваются КА: WorldView-1, 2; GeoEye-1, 2; «Ресурс-П» и аналогичными.

процесс выявления, отбора и обобщения типичных свойств картографируемых объектов (явлений)

и обобщения их границ в соответствии с назначением и масштабом составляемой карты.

Нормы генерализации при кадастровом дешифрировании

снимкам.
Стереоскопически рассматривают снимки (негативы и пози­тивы), визуализированные на экране монитора

или отпечатанные на бумаге.

Пространственное восприятие объекта при бинокулярном наблюдении пары снимков, полученных с разных точек пространства, называется стереоскопическим эффектом, а воспринимаемая при этом мнимая картина – стереоскопической моделью.

Для получения стереоэффекта необходимо, чтобы:
разномасштабность снимков стереопары не превышала 16%;
каждым глазом наблюдался только один из снимков;
снимки расположены так, чтобы линия базиса съемки была параллельной глазному базису и базису стереоприбора..

и др.
Рис. Анаглифический способ стереонаблюдения (ЦФС «Талка»)

базе двух ЖК-дисплеев
Стереомонитор StereoPixel
Поляроидный и чересстрочный стереорежимы

помощью стереоскопа ЛЗ
fc – фокусное расстояние, d - базис стереоскопа
fc
Увеличение

стереоскопа

Вертикальный масштаб модели

d

Аэрокосмические методы в лесном деле

– 7-10 %)
поперечный параллакс точки qi= Yi1

– Yi2
продольный параллакс точки Pi = xi1 – xi2

Рис. Изображение отвесной линии (AD) на паре снимков

Ра = ±Ха1 - (±Ха2)
Рd = ±Хd1 - (±Хd2)

∆Р=(Рa – Рd) - разность продольных параллаксов между измеряемыми точками;
h – превышение точки ''а'' над точкой ''d'';
Нd – высота фотографирования над точкой d;
Рd – продольный параллакс точки ''d'';
b – базис фотографирования в масштабе снимка,
Н – средняя высота съемки

Аэрокосмические методы в лесном деле

показатели структуры деревьев и древостоев.
Методы изучения таксационно-дешифровочных показателей насаждений.
Дешифровочные признаки

не покрытых лесом и нелесных земель.
Аналитико-измерительные методы определения таксационных показателей насаждений по аэрофотоснимкам.
Особенности лесотаксационного дешифрирования космических снимков.

таксационные показатели (ср. диаметр, полнота, запас, бонитет и др.) не

находят изображения на снимках, а определяются на основе корреляционных связей с показателями крон и полога.

Морфологические показатели, определяющие внешний вид дерева или древостоя:
форма и размеры крон;
вид полога (строение);
количество деревьев и расстояние между ними;
сомкнутость полога.

Аэрокосмические методы в лесном деле

Рис. Форма крон:
а – ели (конусовидная),
б - березы, в – сосны (эллипсовидные),
г – осины (плосковершинные)

- длина кроны;
hOк - высота до начала кроны;
DK

- диаметр кроны;
hDk - высота до наибольшей ширины кроны

Рис. Профиль древостоев со ступенчатой сомкнутостью крон

Виды строения полога:
- горизонтально-сомкнутый - кроны деревьев сходны по форме и размерам и смыкаются на одной высоте;
- вертикально-сомкнутый - верхние части крон нижнего яруса смыкаются с верхним или входят в его нижнюю часть;
- вертикально-ступенчатый - кроны деревьев смыкаются в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Ps=ΣSкр / Sуч,
где Ps - сомкнутость полога;
ΣSкр, - сумма площадей проекции крон всех деревьев на участке;
Sуч - площадь участка.

Аэрокосмические методы в лесном деле

сосны и лиственницы - параболоидные, эллипсовидные и шаровидные;
березы

- параболоидные и эллипсовидные;
осины - плосковершинные.

2. Размеры изображения крон (при таксационном дешифрировании по размерам проекции крон делается заключение о возрасте и степени сомкнутости (полноте) древостоя).

3. Рисунок изображения:
структура - набор форм, размеров, тонов (цветов и цветовых оттенков), участвующих в формировании изображения;
текстура определяет пространственное расположение структур, их взаимное сочетание.
Выделяют точечную, зернистую, пятнистую, струйчатую, линейную, полосчатую и др. типы структур.

4. Косвенные признаки:
- ландшафтные или геоморфологические признаки (гидрография, рельеф , типы почв),
изученность естественноисторических и лесорастительных условий ;
степень освоения лесных массивов, встречаемость древесных пород и их сочетаний,
приуроченность различных категорий земель к путям транспорта, населенным пунктам и т. п.

Аэрокосмические методы в лесном деле

таксационно-дешифровочные показатели:
- дешифровочный состав (породный),
- диаметр кроны,
-

высота до наибольшей ширины кроны,
- длина кроны,
сомкнутость полога.

Дополнительные таксационно-дешифровочные показатели:
- морфологи­ческие особенности и форма крон деревьев различных пород и разного возраста;
цвет или тон изображения;
тени собственные и падающие;
структура полога насаждений.

таксационным, необходимо знать взаи­мосвязи между ними.
Признаки дешифрирования и взаимосвязи между

таксационными и дешифровочными показателями изучают применительно к однородному лесорастительному району.
Для этого используют:
специальные коорди­натные и таксационно-дешифровочные пробные площади;
данные вы­борочной измерительно-перечислительной таксации в типичных выделах;
крупномасштабные фотопробы;
массовые данные наземной таксации по выделам.

изучения показателей полога и установления их взаимосвязей с таксационными характеристиками

насаждений.

Фотопробы получают фотографированием характерных участков леса с вертолетов, легкомоторных самолетов, БПЛА в мас­штабах 1:500-1:2000 (разрешение на местности 5-20 см).
При стереоскопическом рас­смотрении аэроснимков измеряют:
hd - высоту дерева;
Ik - длину кроны;
h0к - высоту до начала кроны;
DK - диаметр кроны;
hDk - высоту до наибольшей ширины кроны
(точность измерений – 5-10%, т. е. практически, как и в натуре глазомерным способом.

В отдельных случаях по аэроснимкам масштабов 1:200—1:500 (разрешение 2-5 см) можно измерить и диаметр ствола деревьев на высоте 1,3 м.

Затраты труда на замеры таксационно- дешифровочных показателей в расчете на одну пробу сокращаются в 1,5-2 раза, работы выполняют в лаборатории.

и типичных выделов:
устанавливают корреляционные зависимости между таксационными и дешифровочными показателями:

1. средними диаметрами деревьев и их высотами,
2. числом видимых и невидимых на аэрофотоснимках деревьев,
3. составом фактическим и дешифровочным,
4. средними диаметрами деревьев и крон,
5. относительной полнотой и сте­пенью сомкнутости полога.

выявляют модальные соотношения средней высоты преобладающей и составляющих пород в смешанных древостоях;

устанавливают множественные корреляционные зависимости типа
d1,3=f(h ,Dk Ps, A, N) и др.


Полученные данные сводят в дешифровочные таблицы.

аэрокосмическим снимкам с нормативной точностью могут быть определены:
- контуры

лесотаксационных выделов;
породный состав насаждений;
группа типа лесов и класс бонитета;
средние высота и диаметр древостоя;
класс возраста древостоев;
относительная полнота насаждения;
запас лесонасаждения;
товарность лесонасаждения;
категории и состояние не покрытых лесной растительностью земель, лесных и нелесных площадей

Дешифровочный способ таксации лесов основан на аналитико-измерительном дешифрировании качественных характеристик лесных насаждений по их изображению на аэроснимках и космических снимках.

Примечание: в числителе – предельно допустимое минимальное пространственное разрешение на местности,
в знаменателе - масштаб, используемых на полевых и камеральных работах контактных или увеличенных снимков (изображений).

сопутствующих древесных пород - глазомерно, пропорционально площадям, занятым проекциями крон

соответствующих пород с учетом взаимосвязей между таксацион­ным и дешифровочным составом (количеством видимых и невидимых в пологе деревьев различных пород).

Дешифрирование типа леса и класса бонитета после определения преобладающей породы сводится к дешифрированию типа условий местопроизрастания по ландшафтным признакам (приуроченность к определенным типам и формам рельефа).

Рис. Фрагмент абриса-снимка с границами выделов

основе измерения разности продольных параллаксов.



2. Приближенно (точность 10-15%):
По

длине теней - hд =LT*tgα,
где LТ – длина тени (м), α – угол высоты солнца над горизонтом;
По величине проекции изображения дерева - hд = Δ*Н/r,
где Δ - длина изображения дерева на снимке, мм; r - расстояние между вершиной дерева и точкой надира, мм;
глазомерно-стереоскопическим способом - hd = hc * mв ,
где mв - вертикальный масштаб аэроснимков;
hс - высота дерева, определяемая глазо­мерно при стереоскопическом рассматривании снимков, мм;

высота дерева, м
lТ - размер тени, м
γ – высота Солнца

над горизонтом, град. (зависит от географического положения (широты и долготы ), даты и времени съемки)

Определение времени съемки (t)

t = 12 – T, тень на С-З
t = 12 + T, тень на С-В

T = λ / 15°

(15° - перемещение Солнца за 1 час –
360° : 24ч = 15°)

Онлайн-калькулятор «Вычисление азимута и высоты солнца над горизонтом по заданным координатам и времени наблюдения» - http://www.planetcalc.ru/318/?license=1

Аэрокосмические методы в лесном деле

удалении объекта от центра АФСн (т. к. смещение вершины на

краях снимка больше и высота определяется точнее)

где H – высота фотографирования, м;
D - величина наклонной проекции объекта, мм;
r – расстояние от вершины объекта до главной
точки АФСн, мм.
Пример. H = 1000 м; D = 1,5 мм; r = 75 мм.
h=1000м*1,5 мм / 75 мм = 20 м

∆

r

Аэрокосмические методы в лесном деле

hд = Δ*Н/r

(дерева) при глазомерно-стереоско­пическом наблюдении АФСн можно определить "на глаз" с

помощью клинышка миллиметровой бумаги, подставляя и передвигая этот клин так, чтобы его верх был у вершины, а низ - у основания объекта (дерева).






Определив высоту объекта на стереомодели в "мм" (nмм) и вертикальный масштаб АФС (mv), можно определить натуральную высоту объекта:

hd = mв * nмм

Пример. Если n = 5 мм, mв = 4000, то h=5 мм * 4000=20 м.

Аэрокосмические методы в лесном деле

через одновременное использование нескольких таксационных показателей. Например, определение возраста осиновых

древостоев II класса бонитета по средним высоте (h) и диаметру кроны (Dк).











Средний диаметр насаждения на высоте 1,3м (d1,3) устанавливают на ос­нове его зависимости от hd, или взаимосвязи с hd; Dk; Ps и другими таксационными и дешифровочными показателями: классом бонитета, типом леса, возрастом.
Сосна - d1,3=0,85hd + 2,36Dk – 2,86 (Э.А. Курбанов)
Ель - d1,3=0,68hd + 1,25Dk + 4,3 (С.В. Белов)
Береза - d1,3=0,65hd + 3,04Dk – 5,4 ( С.В. Вавилов)

на основе анализа стереомодели полога насаждения (используют стереограммы из фототеки

типичных выделов) (основной метод);

через сомкнутость полога (Рs) - по уравнениям, графикам, таблицам взаимосвязи этих показателей, при этом должны учитываться возраст (А), тип лесорастительных условий (Тл), состав насаждения:
Р =f (А, Тл, Рs, состав);

через средний диаметр и количество деревьев (N), определенных по АФС:
Р =f (d1,3; N);

- на основе зависимости Р =f (PS; hд; Dk; lk).

Сосна – P = 1,415 PS + 0,050 В.И. Сухих
Береза - P = Ps + 0,21 С.В.Вавилов
Дуб - Р = 0,89 Ps +0,16 А.В.Любимов

проекций крон (снимки масштаба 1:1000);
с помощью точечных палеток (не менее

200 точек на выдел) – как отношения количества точек на кронах к общему количеству точек на участке;
линейным способом - по взаимно перпендикулярным линиям (общей протя­женностью на местности не менее 240 м) - как отношение длин линий, занятых проекциями крон, к общей длине линии (10-20 мм);
по шкале (стереограмме) сомкнутости полога.

Под степенью горизонтальной сомкнутости полога насаждений (Ps) понимают отношение суммы площадей проекций крон, составляющих полог насаждения, без учета перекрытий между соседними кронами деревьев, к общей площади исследуемого участка.

дешифровочным таблицам или номограммам с учетом состава, высо­ты, относительной полноты

(сомкнутости полога) насаждения.
Товарность лесонасаждения определяется с учетом его состава, воз­раста, типа лесорастительных условий, наличия сухостойных деревьев, валежа, аномальных явлений.

Номограмма для определения запасов сосновых насаждений по средней высоте, диаметрам крон и сомкнутости полога (по В.И. Березину)

Сомкнутость полога

Диаметр крон

высота

Запас

0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95

0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

6 8 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0 50 100 150 200 250 300 350

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5

конференции «Лесное хозяйство России» – 2013 г.,
ФГУП «Рослесинфорг»)
Основные этапы

технологического цикла «От съемки к проекту»