Алгоритм и оценка изменения площади лесного покрова Хачмазского района Азербайджана средствами космического мониторинга

УДК

528.856:630*5

DOI:

https://doi.org/10.37482/0536-1036-2021-2-106-115

Аннотация

Представлены результаты многолетних наблюдений за состоянием лесного покрова Хачмазского р-на Азербайджана. При этом учитывались как результаты дистанционного зондирования Земли, так и данные более старых наблюдений, полученных путем натурного мониторинга и сохраненных в виде тематических карт на бумажных носителях. Результаты дистанционного зондирования содержали мультиспектральные спутниковые изображения за несколько лет. С помощью программы QGIS и плагина Semi-Automatic Classification Plugin проводили предварительную обработку изображений, включающую радиометрическую и атмосферную коррекцию, а также классификацию участков исследуемого района по типу покрытия земной поверхности на основе анализа их спектральных кривых. Согласно классификации определялись площади, занимаемые лесными массивами. В совокупность наблюдений включались данные из имеющихся архивных материалов – тематических карт Хачмазского р-на. Для их обработки и извлечения данных о площади лесных массивов в среде MATLAB разработана программа. Алгоритм программы обработки включает проведение гистограммного анализа изображения в целом и отдельно легенды. По гистограмме легенды определяется число тематических слоев карты, но в их число не включаются слои, содержащие неиспользуемые цвета, обозначающие соседние районы, участки моря и др. Затем проводится цветовая коррекция пикселей изображения (квантование цветов по числу тематических слоев), морфологическая обработка и осуществляется расчет числа пикселей каждого слоя и всех слоев вместе. По полученным соотношениям рассчитывается площадь каждого слоя. Данные обработки архивных материалов вместе с результатами дистанционного зондирования сводятся в общую таблицу, с использованием которой строится диаграмма изменения площади леса, а также модель в виде полинома, отражающего эту динамику. Анализ диаграммы выявил тенденцию к уменьшению площади лесов: за 7 лет – на 21 %. Разработанный алгоритм проводит разбивку тематических карт на отдельные слои в соответствии с цветами легенды.

Сведения об авторах

В.М. Мамедалиева, канд. геогр. наук; ResearcherID: AAC-5454-2021,
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8775-8564
Институт экологии Национального аэрокосмического агентства, ул. С.С. Ахундова, д. 1, г. Баку, Азербайджан; e-mail: valide.mamedaliyeva@mail.ru

Ключевые слова

лесной покров, площадь, динамика изменений, Хачмазский р-н, электронные карты, тематический слой, обработка изображений

Для цитирования

Мамедалиева В.М. Алгоритм и оценка изменения площади лесного покрова Хачмазского района Азербайджана средствами космического мониторинга // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 2. С. 106–115. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-106-115

Литература

1. Ализаде Э.К., Гулиева Ф.Э. Метод оценки воздействия антропогенного фактора на лесной покров в горных зонах // Вестн. Алтайск. гос. аграр. ун-та. 2016. № 3(137). C. 84–90. [Alizade E.K., Guliyeva F.E. The Method to Evaluate the Anthropogenic Factor Impact on Forest Cover in Mountainous Areas. Vestnik Altayskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Altai State Agrarian University], 2016, no. 3(137), pp. 84–90].

2. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. Т. 2. М.: Мир, 1989. 477 с. [Begon M., Harper J.L., Townsend C.R. Ecology: From Individuals to Ecosystems. Vol. 2. Moscow, Mir Publ., 1989. 477 p.].

3. Инструментарий QGIS для полуавтоматической классификации земель сельскохозяйственного возделывания по данным КА Sentinel. Режим доступа: https://www.tvis.com.ua/ru/news/semi-automatic-classification-plugin (дата обращения 19.06.2020). [QGIS Toolkit for Semi-Automatic Classification of Agricultural Land according to Sentinel Spacecraft Data].

4. Луганский Н.А., Залесов С.В., Луганский В.Н. Лесоведение. Екатеринбург: УГ ЛТУ . 2010. 432 с. [Luganskiy N.A., Zalesov S.V., Luganskiy V.N. Forest Science. Yekaterinburg, USFEU Publ., 2010. 432 p.].

5. Лукина Н.В., Исаев А.С., Крышень А.М., Онучин А.А., Сирин А.А., Гагарин Ю.Н., Барталев С.А. Приоритетные направления развития лесной науки как основы устойчивого управления лесами // Лесоведение. 2015. № 4. С. 243–254. [Lukina N.V., Isaev A.S., Kryshen’ A.M., Onuchin A.A., Sirin A.A., Gagarin Yu.N., Bartalev S.A. Research Priorities in Forest Science – the Basis of Sustainable Forest Management. Lesovedenie [Russian Journal of Forest Science], 2015, no. 4, pp. 243–254].

6. Мусеибов М.А. Ландшафты Азербайджанской Республики. Баку: БГУ . 2003. 151 с. [Museibov M.A. Landscapes of the Republic of Azerbaijan. Baku, BSU Publ., 2003. 151 p.].

7. Прилипко Л.И. Растительный покров Азербайджана. Баку: Элм, 1970. 168 c. [Prilipko L.I. Vegetation Cover of Azerbaijan. Baku, Elm Publ., 1970. 168 p.].

8. Проскуряков М.А. Проблема хронобиологической цикличности движения свойств лесных экосистем // Сиб. лесн. журн. 2015. № 2. С. 71–84. [Proskuryakov M.A. Problem of Chronobiological Cyclic of Movement of Forest Ecosystems Properties. First Communication. Sibirskij Lesnoj Zurnal [Siberian Journal of Forest Science], 2015, no. 2, pp. 71–84]. DOI: 10.15372/SJFS20150206

9. Сулейманов Т.И., Мустафазаде Н.Х., Гулузаде Р.К. Обработка данных мониторинга атмосферных загрязнений города Баку // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. № 10. С. 41–45. [Suleymanov T.I., Mustafazade N.Kh., Guluzade R.K. The Data Processing of Air Pollution Monitoring in Baku City. Pribory i sistemy. Upravleniye, kontrol’, diagnostika [Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics], 2016, no. 10, pp. 41–45].

10. Чистик О.В., Головатый С.Е., Позняк С.С. Общая и радиационная экология // Минск: МГ ЭУ им. А.Д. Сахарова, 2012. 313 с. [Chistik O.V., Golovatyy S.E., Poznyak S.S. General and Radiation Ecology. Minsk, ISEI BSU Publ., 2012. 313 p.].

11. Campbell J., Wynne R.H. Introduction to Remote Sensing. New York, Guilford Press, 2011. 667 p.

12. Congedo L. Semi-Automatic Classification Plugin Documentation. Release 6.4.0.2. 2020. 239 p. Available at: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/5302121/mod_resource/ content/1/SCP_manual.pdf (accessed 14.02.20).

13. Gomarasca M.A. Basics of Geomatics. Dordrecht, Springer, 2009. 656 p. DOI: 10.1007/978-1-4020-9014-1

14. Group Method of Data Handling. Available at: https://www.gmdh.net (accessed 09.06.16).

15. Image Processing Toolbox Documentation – MathWorks. Available at: https://www.mathworks.com/help/images (accessed 08.12.19).

16. Jensen J.R. Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective. New Jersey, Prentice Hall, 2004. 526 p.

17. Knoke T. Shades of Forest Change. Book of Abstracts of an International Conference of IUFRO Unit 4.02.00 on Forest Cover Change, Freising, Germany, April 2–4, 2014. Freising, IUFRO, 2014, p. 3.

18. Manfreda S., McCabe M., Miller P., Lucas R., Madrigal V.P., Mallinis G. et al. On the Use of Unmanned Aerial Systems for Environmental Monitoring. Remote Sensing, 2018, vol. 10, iss. 4, art. 641. DOI: 10.3390/rs10040641

19. Pahari K., Murai Sh. Modeling for Prediction of Global Deforestation Based on the Growth of Human Population. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 1999, vol. 54, iss. 5-6, pp. 317–324.

20. Radiometric Calibration. L3 Harris Geospatial Documentation Center. Available at: https://www.l3harrisgeospatial.com/docs/RadiometricCalibration.html (accessed 17.12.19).

21. The Forests of the Republic. Ministry of Ecology and Natural Resources of Azerbaijan Republic. Available at: http://eco.gov.az/az/fealiyyet-istiqametleri/mesheler (accessed 25.10.19).

22. United States Geological Survey. Available at: https://www.usgs.gov (accessed 30.08.19).

Ссылка на английскую версию:

Algorithm and Measurement of Forest Cover Area Change in the Khachmaz Region of Azerbaijan by Satellite Monitoring

ALGORITHM AND MEASUREMENT OF FOREST COVER AREA CHANGE IN THE KHACHMAZ REGION OF AZERBAIJAN BY SATELLITE MONITORING

Valida M. Mamedaliyeva, Candidate of Geography; ResearcherID: AAC-5454-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8775-8564
Institute of Ecology, Azerbaijan National Aerospace Agency, ul. S.S. Akhundova, 1, Baku, Republic of Azerbaijan; e-mail: valide.mamedaliyeva@mail.ru

Abstract. The article presents the results of long-term observations of the forest cover state in the Khachmaz region of Azerbaijan. Both the results of Earth’s remote sensing and the data of earlier observations carried out by field monitoring were used in the study. The earlier data was stored in the form of thematic maps on paper. The results of remote sensing contained multispectral satellite images obtained over several years. Image processing was performed using the QGIS program and the Semi-Automatic Classification Plugin. The processing included radiometric and atmospheric correction, as well as classification of the study area by the type of land surface coverage. Classification was performed on the basis of the spectral curves analysis in various sections of the region. The areas occupied by forests were determined based on the classification. The set of observations included data from the available archival materials – thematic maps of the Khachmaz region. A software in MATLAB was developed for processing the maps and calculating the area of forests. The program operation algorithm includes histogram analysis of the image as a whole and separately of the legend. The histogram of the legend determines the number of thematic layers of the map. They do not include layers containing unused colors, such as the colors of neighboring areas, sections of the sea, etc. Then color correction of image pixels is performed, namely, quantization of colors according to the number of specific thematic layers. Later on, morphological processing of each layer is carried out. Areas containing less than the specified number of pixels are assigned the color of the surrounding layer. The number of pixels of each layer and all layers are calculated. Finally, the obtained ratios are used to calculate the area of each layer. The data of processing of archival materials together with the results of remote sensing are summarized in a joint table. According to the table, a diagram of changes in the forest area is constructed, as well as a model in the form of a polynomial showing this dynamics. The diagram analysis revealed a tendency to a decrease in the area of forests. The forest area has decreased by 21 % for 7 years. The developed algorithm splits thematic maps into separate layers in accordance with the colors of the legend.
For citation: Mamedaliyeva V.M. Algorithm and Measurement of Forest Cover Area Change in the Khachmaz Region of Azerbaijan by Satellite Monitoring. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 2, pp. 106–115. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-2-106-115

Keywords: forest cover, area, dynamics of changes, Khachmaz region, electronic maps, thematic layer, image processing.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов
The author declare that there is no conflict of interest
Поступила 28.03.20 / Received on March 28, 2020