Метод определения характеристик лесов на основе материалов дистанционного зондирования Земли, данных лесоустройства и алгоритма k-NN (на примере Лодейнопольского лесничества Ленинградской области)

  • Д. М. Черниховский Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова https://orcid.org/0000-0002-6375-3080
  • А. С. Алексеев Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова https://orcid.org/0000-0001-8795-2888
Ключевые слова: метод ближайших соседей, дистанционные методы, инвентаризация лесов, автоматическая классификация изображений, дистанционное зондирование Земли

Аннотация

Российская система национальной (государственной) инвентаризации лесов, действующая с 2007 г., в методическом отношении несовершенна и служит объектом критики и дискуссий. К слабым ее сторонам следует отнести недостаточное внимание, уделяемое дистанционным методам. Возможное направление совершенствования отечественной системы инвентаризации лесов – использование автоматической классификации их характеристик на основе материалов дистанционного зондирования Земли. Одним из перспективных алгоритмов автоматической классификации является метод «ближайшего соседа», или k-NN (k-nearest neighbors) метод, успешно применяемый при проведении инвентаризации лесов в других странах. Он основан на регрессии между спектральными характеристиками пикселов с известными характеристиками лесов и остальных пикселов изображения. Вопросы практического применения этого метода в целях национальной инвентаризации лесов впервые были поставлены и изучены финскими исследователями в 90-х гг. прошлого века. На протяжении двух последних десятилетий в разных странах проведено значительное количество экспериментов в этой области. Цель данного исследования – оценка возможности применения k-NN метода для определения обобщенных характеристик лесов на примере Лодейнопольского лесничества Ленинградской области. Площадь лесничества – 401 866 га, в его состав входят 16 участковых лесничеств. В целях формирования набора тренировочных участков для классификации средствами геоинформационных технологий в пределах лесничества создана регулярная сеть с шагом 1×1 км. В качестве тренировочных участков, расположенных в узлах сети, использовались либо участки круглой формы радиусом 10 м, либо лесотаксационные выделы, которым присваивались лесотаксационные характеристики на основе материалов лесоустройства. Для проведения классификации применялись снимки Landsat-8 (спектральные каналы – GREEN, RED, NIR, SWIR 2). Выполнена автоматическая классификация снимков Landsat-8 по ряду лесотаксационных характеристик – среднему запасу на 1 га, среднему классу бонитета, средней относительной полноте, доле площади хвойных и лиственных насаждений. Результаты классификации k-NN методом сравнивались с материалами лесоустройства. Систематические ошибки оценки запаса, полноты и бонитета для территории Лодейнопольского лесничества составили менее 5 %. Полученные результаты подтверждают перспективность дальнейшего изучения теоретических и практических вопросов применения k-NN метода для определения характеристик лесов. Развитие данного направления может способствовать совершенствованию методики российской государственной инвентаризации лесов.
Для цитирования: Черниховский Д.М., Алексеев А.С. Метод определения характеристик лесов на основе материалов дистанционного зондирования Земли, данных лесоустройства и алгоритма k-NN (на примере Лодейнопольского лесничества Ленинградской области) // Лесн. журн. 2019. № 4. С. 45–65. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.4.45

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Д. М. Черниховский, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

канд. с.-х. наук

А. С. Алексеев, Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова

д-р геогр. наук, проф.

Литература

Алексеев А.С. Теоретические основы государственной (национальной) инвентаризации лесов // Лесн. хоз-во. 2009. № 4. С. 31–33.

Алексеев А.С. Методологические основы организации и проведения государственной инвентаризации лесов // Материалы Всерос. совещ. «Использование материалов государственной инвентаризации лесов в интересах охраны окружающей среды», Брянск, 9–10 окт. 2013 г. М.: Рослесинфорг, 2013. С. 87–96.

Архипов В.И. Особенности национальной инвентаризации. Какая инвентаризация лесов требуется России? // Материалы Всерос. совещ. «Использование материалов государственной инвентаризации лесов в интересах охраны окружающей среды», Брянск, 9–10 окт. 2013 г. М.: Рослесинфорг, 2013. С. 105–112.

Белова Е.И., Ершов Д.В. Опыт оценки естественного лесовосстановления на сплошных вырубках по временным рядам Landsat // Лесоведение. 2015. № 5. С. 339–345.

Гольцев В., Толонен Т., Сюнёв В., Далин Б., Герасимов Ю., Карвинен С. Лесозаготовки и логистика в России – в фокусе научные исследования и бизнес-возможности: отчет исследовательского проекта (заключительный) / ред. С. Карвинен // Working Papers of the Finnish Forest Research Institut. 2012. Вып. 221. 159 с. Режим доступа: http://www.metla.fi/julkaisut/workingpapers/2012/mwp221.htm (дата обращения: 16.02.2019).

Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Использование материалов съемок при оценке восстановительной динамики лесов на равнинных территориях // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 2. С. 208–216.

Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Эколого-динамическое исследование лесообразовательного процесса по космическим снимкам // Лесоведение. 2013. № 5. C. 76–85.

Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Динамика спектральной яркости породно-возрастной структуры групп типов леса на космических снимках Landsat // Лесоведение. 2014. № 5. C. 3–12.

Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Оценка влияния морфологии древесного полога и рельефа на спектральные характеристики лесов по данным Landsat // Исследование Земли из космоса. 2016. № 5. C. 10–20. DOI: 10/7868/S0205961416050080

Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П., Зукерт Н.В. Сезонная информативность многоспектральных космических снимков высокого разрешения при изучении породно-возрастной динамики лесов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 1. С. 87–94.

Креснов В.В., Страхов В.В., Филипчук А.В. Национальная инвентаризация лесов в зарубежных странах // Лесохоз. информ. 2008. № 10-11. С. 53–88.

Лесохозяйственный регламент Лодейнопольского лесничества Ленинградской области / ФГБУ «РОСЛЕСИНФОРГ» филиал ФГБУ «РОСЛЕСИНФОРГ» «СЕВЗАПЛЕСПРОЕКТ». СПб., 2017. 306 с.

Малышева Н.В. Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических изображений лесных насаждений: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУЛ, 2012. 154 с.

Нешатаев М.В., Нешатаев В.Ю. Комбинированный метод картографирования растительности (на примере Лапландского заповедника) // Изв. СПбЛТА. 2012. Вып. 201. С. 29–40.

Перепечина Ю.И., Глушенков О.И., Глушенков И.С. Государственная инвентаризация российских лесов // Лесотехн. журн. 2014. № 2. С. 60–67. DOI: 10.12737/4508

Перепечина Ю.И., Глушенков О.И., Корсиков Р.С. Определение лесистости и количественных характеристик лесов по космическим снимкам Sentinel-2 (на примере Шебекинского муниципального района Белгородской обл.) // Лесхоз. информ. 2017. № 4. С. 85–93. DOI: 10.24419/LHI.2304-3083.2017.4.09

Савченко А.А., Выводцев Н.В. Оценка возможностей применения данных дистанционного зондирования при мониторинге санитарного и лесопатологического состояния лесов // Учен. заметки ТОГУ. 2015. Т. 6, № 4. С. 658–661. Режим доступа:http://pnu.edu.ru/media/ejournal/articles-2015/TGU_6_237.pdf (дата обращения: 16.02.2019).

Сидоренков В.М., Дорощенкова Э.В., Лопатин Е.В., Рябцев О.В., Сидоренкова Е.М. Зонирование территории Удмуртской Республики по категориям среды обитания охотничьих ресурсов на основе данных спутниковой съемки Landsat 8 OLI-TIRS // Лесотехн. журн. 2015. Т. 5, № 3(19). С. 84–93. DOI: 10.12737/14156

Солдатенков А.А. Дешифрирование состава лесной растительности в условиях среднегорного рельефа // Вестн. Адыг. гос. ун-та. 2014. Сер. 4: Естеств.-мат. и техн. науки. Вып. 1(133). С. 127–130.

Соромотин А.В., Бродт Л.В. Мониторинг растительного покрова при освоении нефтегазовых месторождений по данным многозональной съемки Landsat // Вестн. Тюмен. гос. ун-та. Экология и природопользование. 2018. Т. 4, № 1. С. 37–49. DOI: 10.21684/2411-7927-2018-4-1-37-49

Терехов А.Г., Макаренко Н.Г., Пак И.Т. Автоматический алгоритм классификации снимков Quickbird в задаче оценки полноты леса // Компьютерная оптика. 2014. Т. 38, № 3. С. 580–583. DOI: 10.18287/0134-2452-2014-38-3-580-583

Толкач И.В., Кравченко О.В., Ожич О.С., Таркан А.В., Ильючик М.А. Закономерности изменчивости спектральных яркостей полога основных лесообразующих пород Беларуси на снимках сканера ADS 100 // Тр. БГТУ. Сер. 1: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2017. № 2(198). С. 43–49.

Фарбер С.К., Брюханов Н.В. Материалы массовой таксации и государственной инвентаризации лесов: характеристика расхождений, причины, анализ // Сиб. лесн. журн. 2014. № 5. С. 16–28.

Черных Д.В., Бирюков Р.Ю., Золотов Д.В., Вагнер А.А. Антропогенные модификации и трансформации ландшафтов в бассейне р. Касмала: классификация и динамика на основе данных дистанционного зондирования // Вестн. Алтайской науки. 2014. № 1(19). С. 233–240.

Шарикалов А.Г., Якутин М.В. Анализ состояния таежных экосистем с использованием методики автоматизированного дешифрирования // Изв. Алтайского гос. ун-та. 2014. Вып. 3-1(83). С. 123–127. DOI: 10.14258/izvasu(2014)3.1-22

Ярошенко А.Ю., Владимирова Н.А., Кобяков К.Н. Предложения по оптимизации государственной инвентаризации лесов с точки зрения использования ее результатов в интересах охраны окружающей среды // Материалы Всерос. совещ. «Использование материалов государственной инвентаризации лесов в интересах охраны окружающей среды», Брянск, 9–10 окт. 2013 г. М.: Рослесинфорг, 2013. С. 82–86.

Beaudoin A., Bernier P.Y., Guindon L., Villemaire P., Guo X.J., Stinson G., Bergeron T., Magnussen S., Hall R.J. Mapping Attributes of Canada’s Forests at Moderate Resolution through kNN and MODIS Imagery // Canadian Journal of Forest Research. 2014. Vol. 44(5). Pp. 521–532. DOI: 10.1139/cjfr-2013-0401

Congedo L. Semi-Automatic Classification Plugin Documentation. Release 6.2.0.1. 2019. 212 p. DOI: 10.13140/RG.2.2.29474.02242/1

Forest Inventory: Methodology and Applications / ed. by A. Kangas, M. Maltamo. Netherlands: Springer, 2006. 362 p. DOI: 10.1007/1-4020-4381-3

Franco-Lopez H., Ek A.R., Bauer M.E. Estimation and Mapping of Forest Stand Density, Volume, and Cover Type Using the k-Nearest Neighbors Method // Remote Sensing

of Environment. 2001. Vol. 77, iss. 3. Pp. 251–274. DOI: 10.1016/S0034-4257(01)00209-7

Gjertsen A.K. Accuracy of Forest Mapping Based on Landsat TM Data and a kNN-Based Method // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by

H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 7–11.

Gjertsen A.K. Accuracy of Forest Mapping Based on Landsat TM Data and a kNN-Based Method // Remote Sensing of Environment. 2007. Vol. 110, iss. 4. Pp. 420–430. DOI: 10.1016/j.rse.2006.08.018

Haapanen R., Ek A. Software and Instructions for kNN Applications in Forest Resources Description and Estimation // Department of Forest Resources Staff Paper Series. St. Paul, MN: University of Minnesota, 2001. No. 152. 19 p.

Haapanen R., Ek A.R., Bauer M.E., Finley A.O. Delineation of Forest/Nonforest Land Use Classes Using Nearest Neighbor Methods // Remote Sensing of Environment. 2004. Vol. 89, iss. 3. Pp. 265–271. DOI: 10.1016/j.rse.2003.10.002

Katila M., Tomppo E. Selecting Estimation Parameters for the Finnish Multisource National Forest Inventory // Remote Sensing of Environment. 2001. Vol. 76, iss. 1. Pp. 16–32. DOI: 10.1016/S0034-4257(00)00188-7

Koch B. Remote Sensing Supporting National Forest Inventories NFA // Knowledge Reference for National Forest Assessments. Rome: FAO, 2015. Рp. 77–92. Режим доступа at: http://www.fao.org/3/a-i4822e.pdf (дата обращения: 21.02.19).

Koukal T., Suppan F., Schneider W. The Impact of Relative Radiometric Calibration on the Accuracy of kNN-Predictions of Forest Attributes // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 17–21.

McInerney D., Pekkarinen A., Haakana M. Combining Landsat ETM+ with Field Data for Ireland’s National Forest Inventory – A Pilot Study for co. Clare // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 12–16.

McRoberts R.E. Remote Sensing Support for the National Forest Inventory of the United States of America // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 1–6.

McRoberts R.E., Tomppo E.O. Remote Sensing Support for National Forest Inventories // Remote Sensing of Environment. 2007. Vol. 110, iss. 4. Pp. 412–419. DOI: 10.1016/j.rse.2006.09.034

Meng Q., Cieszewski C.J., Madden M., Borders B.E. K Nearest Neighbor Method for Forest Inventory Using Remote Sensing Data // GIScience & Remote Sensing. 2007. Vol. 44, iss. 2. Pp. 149–165. DOI: 10.2747/1548-1603.44.2.149

Nilsson M., Holm S., Reese H., Wallerman J., Engberg J. Improved Forest Statistics from the Swedish National Forest Inventory by Combining Field Data and Optical Satellite Data Using Post-Stratification // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 22–26.

Özsakabaşi F. Classification of Forest Areas by k Nearest Neighbor Method: Case Study, Antalya. M.Sc. in Geodetic and Geographic Information Thesis. Antalya: Middle East Technical University, 2008. 101 p.

Supervised kNN Classifier (kNN). Updated: 22.05.2017. 19 p. Режим доступа: https://github.com/m6ev/kNN/blob/master/kNN_Documentation.pdf (дата обращения: 21.02.19).

Tomppo E.O. The Finnish Multi-Source Inventory // Proceedings of ForestSat 2005, Borås, May 31–June 3, 2005 / ed. by H. Olsson. Borås: Skogsstyrelsen, 2005. Pp. 27–37.

Tomppo E., Czaplewski R., Mäkisara K. The Role of Remote Sensing in Global Forest Assessment. Forest Resources Assessment – WP no. 61. Rome: FAO, 2002. Режим доступа: http://www.fao.org/docrep/006/ad650e/AD650E00.htm#TopOfPage (дата обращения: 21.02.19).

Tomppo E., Haakana M., Katila M., Peräsaari J. Multi-Source National Forest Inventory: Methods and Applications. Netherlands: Springer, 2008. 373 p. DOI: 10.1007/978-1-4020-8713-4

Tomppo E., Halme M. Using Coarse Scale Forest Variables as Ancillary Information and Weighting of Variables in k-NN Estimation: A Genetic Algorithm Approach // Remote Sensing of Environment, 2004. Vol. 92, iss. 1. Pp. 1–20. DOI: 10.1016/j.rse.2004.04.003

Поступила 21.02.19

Опубликован
2019-07-11
Как цитировать
Черниховский, Д., и А. Алексеев. «Метод определения характеристик лесов на основе материалов дистанционного зондирования Земли, данных лесоустройства и алгоритма K-NN (на примере Лодейнопольского лесничества Ленинградской области»). Лесной журнал, вып. 4, July 2019, с. 45, doi:10.17238/issn0536-1036.2019.4.45.
Раздел
ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО