Первая карта лесов всей Австрии на основе австрийской инвентаризации лесов

Наземная инвентаризация лесов Австрии (НИЛ) предоставляет информацию высокого качества, но не содержит пространственно-подробных плоских карт. Кроме того, качество (статистическая проверка) результатов для небольших обследований, таких как районные лесные инспекции (BFI), неудовлетворительно из-за малого количества выборок.

С помощью методов дистанционного зондирования Институт лесной инвентаризации Федерального научно-исследовательского и учебного центра по лесам, опасным природным явлениям и ландшафтам впервые создал общенациональную карту леса на основе спутниковых изображений и наземных данных НИЛ (Рисунок 1), которые также дают хорошие результаты для небольших исследовательских единиц.

Рисунок 1: Лесная карта Австрии по снимкам LANDSAT и данным НИЛ

Вид сверху

По крайней мере, со времен Google Планета Земля спутниковые изображения позволяют получать информацию высокой точности. Возможности их использования разнообразны благодаря огромному количеству доступных датчиков. Например, размер пикселя коммерчески доступных спутниковых изображений сегодня колеблется от чуть менее метра до километра. Такие спутниковые изображения использовались в ходе планирования и проведения последней национальной инвентаризации лесов Австрии. Использовался метод, при котором спутниковые изображения оцениваются автоматически, а не визуально. Также изучались возможности классификации изображений. Проект был реализован в сотрудничестве с Институтом геодезии, дистанционного зондирования и земельной информации (IVFL) при БОКУ, где было разработано используемое программное обеспечение.

Пиксель за пикселем

Вначале создается набор справочных данных путем наложения спутниковых изображений и выборочных данных НИЛ. Для каждого участка выборки НИЛ он содержит как спектральную информацию со спутникового изображения, так и информацию о наземных лесах, такую ​​как доля древесных пород или запасы древесины.

Затем параметры леса могут быть оценены для каждого элемента изображения (пикселя) путем поиска спектрально похожих областей выборки в наборе опорных данных и присвоения информации о лесе наиболее подобной области выборки соответствующему пикселю. Этот метод известен как метод k-ближайшего соседа (kNN).

Используемые данные

Изображения со спутника LANDSAT с 2000 по 2003 годы были выбраны для использования в рамках ÖWI. Для охвата по всей Австрии требуется 13 фотографий. Размер пикселя 30 метров. Данные о площадях выборки из последней инвентаризации НИЛ 2000-2002 гг. были использованы в качестве справочных данных для классификации. Также можно использовать цифровую модель рельефа с шириной сетки 10 метров. Кроме того, по всей Австрии использовались ортофотопланы с размером пикселя 25 сантиметров и топографическая карта в масштабе 1: 50 000. Ортофотографии и топокарта были доступны через ГИС-сервер Компьютерного центра сельского, лесного и водного хозяйства (LFRZ) BMLFUW.

Свет и тень

Прежде чем метод kNN можно было успешно применить к изображениям LANDSAT, необходимо было провести предварительную работу. Особое внимание было уделено различным условиям освещения в данных изображения, которые вызваны топографическими свойствами местности (горы). Следовательно, чтобы получить результаты классификации хорошего качества, данные изображения должны быть исправлены радиометрически. Различные условия освещения (свет и тень на южных и северных склонах) были сбалансированы. На рисунке 2 показан участок изображения LANDSAT до и после радиометрической коррекции.

Рис. 2: Цветное инфракрасное представление исходного изображения (слева) и изображения с радиометрической коррекцией (справа). Тени осветлены, солнечные участки немного затемнены (район Wöllaner Nock в Каринтии).

После исправления, данных изображения сверялись с данными площадок НИЛ. Из 22 000 тестовых площадок НИЛ пришлось удалить около 600 «выбросов». Эти опытные участки в основном находились на опушке леса. Из-за размера пикселя эти области отображаются на спутниковом изображении как так называемые смешанные пиксели. Они содержат информацию о различных покрытиях земли, например, о лесе и прилегающем к нем лугу, и приводят к неправильной классификации.

Решение проблем

Из-за неблагоприятного воздействия облаков, дымки и инверсионных следов на спутниковые снимки создать полную карту леса не удалось. Кроме того, с помощью дистанционного зондирования можно автоматически классифицировать только растительный покров (лес по критерию наличия деревьев), но не землепользование (лес согласно формальным определениям леса). Согласно определению леса НИЛ, не всякая лесная территория является лесом (например, парки, сады), и не каждая не покрытая или частично покрытая деревьями территория не является лесной (кормовые поля, лесные дороги, питомники, вырубки). Области, затронутые этими проблемами, были обработаны вручную с помощью ортофотопланов.

Полученные результаты

Используя карту лесов (рис. 1), можно рассчитать площадь лесов в Австрии и сравнить с имеющимися результатами наземной НИЛ. Таблица 1 содержит процентную долю площади лесов по стране на федеральном уровне и уровне штата. Сравнение результатов показывает, что площадь леса, полученная методом kNN (включая пост-обработку), имеет тенденцию быть несколько меньше площади леса по данным наземной съемки.

Одной из причин этого является уже упомянутая проблема растительного покрова / землепользования, поскольку невозможно переработать все затронутые территории в разумные сроки. Другой причиной систематического отклонения являются смешанные пиксели по краям между лесными и не лесными участками, большинство из которых классифицируются как нелесные.

Таблица 1: Площадь лесов в процентах для сравнения

Результаты также сравнивались на уровне районной лесной инспекции. Оказалось, что более точные результаты могут быть достигнуты с помощью метода kNN, особенно для небольших исследовательских единиц, таких как BFI.

Приложения и перспективы

Первая двумерная карта лесов Австрии, основанная на данных НИЛ , может быть использована для различных приложений. Пересечение с картой уклонов упрощает оценку лесов, выполняющих защитную функцию. Карту леса также можно использовать, например, в моделях для оценки среды обитания, подходящей для существования ранее утраченных и возвращаемых в Австрию видов животных.

Карта леса в основном используется в качестве исходного набора данных для отображения дополнительных атрибутов леса, таких как состав древесных пород, вырубки и запасы, с помощью описанного метода классификации. BFW уже работает над этими оценками. На Рисунке 3 показана карта лесов с четырьмя классами сочетания видов деревьев и зон воздействия в районе Штайнфельд / Розалиенгебирге, Нижняя Австрия.

Рисунок 3: Лесная карта с классами смеси древесных пород (темно-зеленый: хвойный лес, светло-зеленый: лиственный лес, голубой и синий: смешанный лес) и поразительные поверхности (желтый) в районе Штайнфельд / Розалиенгебирге