Використання космічної інформації у екології, географії ґрунтів, вивченні рослинного та тваринного світу: Застосування супутникових спостережень для досліджень наземних екосистем

Тут розглядається загальна методологія використання ДЗЗ в задачах дослідження наземних екосистем та екологічного моніторингу, основні напрями застосування методів ДЗЗ, проблемно – орієнтована методична схема розпізнавання і класифікація типів земної поверхні, основні терміни і визначення. Розподіли спектрального відгуку об'єктів поверхні та реєстрація сигналу від земних покровів. Класифікація земних покровів та картування стану землекористування, аналіз стану землекористування та реєстрація змін земних покровів. Районування та картографування структури ґрунтового покриву. Формування спектральних ознак рослинного покриву, спектральні індекси як інформативні ознаки стану екосистеми, перелік основних спектральних індексів. Показники продуктивності та методи інтегральної оцінки продуктивності рослинності за даними ДЗЗ. Вивчення глобальних і регіональних змін екосистем супутниковими засобами, контроль несприятливих процесів (перезволоженість, гумусність, засоленість, еродованість тощо). Системно-аналітичне представлення екологічної системи, загальна модель екологічної системи, оцінка ролі ДЗЗ для вивчення екосистем: системна природа індикаторів ДЗЗ.

Вивчення екосистем є ключовою задачею ДЗЗ і, водночас, задачею дуже складною, позаяк не існує інтегрованої моделі екосистеми. Зазвичай, використовуються кілька різних описів екосистем для визначення наборів станів і, відтак змінних, які ми контролюємо тими, чи іншими засобами спостереження.

Однією з найважливіших моделей екосистем є модель кругообігу вуглецю. Модель кругообігу вуглецю є формалізованим представленням наших уявлень про перебіг процесів накопичення та перетворення вуглецевих сполук в екосистемах.

Розглянемо загальну структурну модель обігу вуглецю в екосистемах.

Модель включає кілька ключових елементів і має дати на виході необхідні для подальшого аналізу параметри.

Таким чином, ми виходимо на необхідність класифікації складових екосистем і оцінку їхньої динаміки за даними ДЗЗ, а також контроль показників концентрації вуглецевих сполук, в тому числі в атмосфері над окремими компонентами екосистем.

Це визначає основні напрями використання ДЗЗ для вивчення екосистем:

Тут слід звернути увагу на методологічні особливості, що передбачають ретельну наукову постановку задачі. Ця вимога випливає із того, що наші моделі не є всеохоплюючими, а створюються під конкретну задачу.

Пригадаємо методичну схему класифікації, яка також передбачає постановку задачі:

Розпізнавання ґрунтується на відмінності спектральних відгуків різних типів поверхні та їхніх розподілів в часі і просторі

При цьому слід звертати увагу на сталість розподілів спектрального відгуку в просторі. Спектральні характеристики сучасних сенсорів є сталими в просторі і часі, що дозволяє використовувати їх для достовірної класифікації 

 

Таким чином може бути проведено картування за окремими наборами класифікаційних ознак, в залежності від задачі, що вирішується.

На основі визначених типів землекористування і земних покровів, було проведено глобальне картування.

Наявність карт розподілів покровів дозволяє контролювати динаміку змін в часі.

Важливим, навіть ключовим питанням є формування інформативних ознак. Інформативними ознаками стану екосистем є концентрація і співвідношення рослинних пігментів, які можуть бути зареєстровані засобами ДЗЗ.

Це може бути зроблене як за окремими вузькими спектральними смугами, так і за їхніми сукупностями - спектральними індексами.

Спектральні індекси є менш вразливими по відношенню до зміни зовнішніх умов, тобто більш стійким (робастним) показником. Можна вивести загальне рівняння, що повязує концентрацію пігментів (хлорофілу) і спектральний індекс, якій ми хочемо вивчити (Kostyuchenko, 2012)

Існує велика різноманітність спектральних індексів для вивчення різних аспектів життєдіяльності екосистем.

Вони дозволяють отримувати оцінки важливих показників функціонування систем, зокрема продуктивності, врожайності, навантажень тощо.

Прямі спектральні ознаки і спостереження дозволяють оцінювати часові і просторові зміни земних покровів, тобто отримувати вхідні дані для вирішення геоморфологічних задач, задач екологічного управління, і управління безпекою.

В більшості випадків інтерпретація даних спостережень ґрунтується на представленні екосистеми як взаємопов'язаної сукупності об'єктів, процесів і явищ, що описується системною моделлю

В такому випадку використовується системний підхід.

Найпростішим прикладом є представлення системи в термінах потоків енергії і речовини.

В такому випадку індикатори, що отримуються системами ДЗЗ, мають розглядатися такими, які мають системну природу. Тобто їх інтерпретація вимагає цілісного уявлення про систему, що спостерігається.

Перелік посилань

Грицик В.В., Бунь Р.А., Дачук В.С. Діакоптичний підхід до моделювання біогеохімічного кругообігу вуглецю в атмосфері // Доповіді НАН України.– 1997.– №4.– С. 77-81.

Бунь Р.А., Дачук В.С. Моделирование глобального и региональных круговоротов углерода в биосфере // Проблемы управления и информатики.– 1997.– №2.– С. 141-148.

Бунь Р.А., Густі М.І., Дачук В.С., Кужій Л.І., Осексів Б.Я., Стрямець Г.В., Токар О.Є., Цибрівський Я.Б. Інформаційні технології інвентаризації парникових газів та прогнозування вуглецевого балансу України. За ред. Р.А.Буня. – Львів: Українська академія друкарства, 2004.– 376 с.

Kostyuchenko Yuriy V., Kopachevsky I., Yuschenko M., Solovyov D., Marton L., and Levynsky S. Spectral reflectance indices as indirect indicators of ecological threats // in: Sustainable Civil Infrastructures – Hazards, Risk, Uncertainty, Phoon, K. K., Beer, M., Quek, S. T. & Pang, S. D. (editors), Research Publishing, Singapore, - 2012, p.557 – 562, ISBN: 978-981-07-2219-7 :: doi:10.3850/978-981-07-2219-7 P227

Завдання для самостійної роботи

Аналіз взаємовідношення розподілів сигнатур об'єктів і класів поверхні на відповідність невизначеностей в задачах аналізу екосистем, визначення переваг супутникових методів для дослідження складних систем (зокрема екосистем)

Контрольні запитання та завдання

1. Які основні напрями застосування методів ДЗЗ в задачах дослідження наземних екосистем та екологічного моніторингу?

2. Які матеріали космічної зйомки застосовуються для вивчення ґрунтів?

3. Які існують спектральні індекси стану рослинності?

4. Які існують спектральні індекси водного режиму?

Рекомендована література:

1. Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9
2. Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2
3. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.
4. Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6
5. Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6