Публикации автора:
-
Возможность идентификации инвазивных чужеродных древесных растений на основе спектральных характеристик предикторных фенологических фаз
Биологические инвазии чужеродных видов являются одной из главных угроз сохранению биоразнообразия в степной зоне юга России. Традиционные наземные методы мониторинга трудоемки и не позволяют оперативно оценивать распространение видов на больших территориях. В работе представлены результаты исследования по идентификации четырех инвазивных видов древесных растений (Amorpha fruticosa L., Robinia pseudoacacia L., Ailanthus altissima (Mill.) Swingle), на основе их спектральных характеристик с использованием гиперспектральной съемки. Целью работы являлась разработка методических подходов к дистанционной идентификации данных видов по спектральным характеристикам в предикторные фенологические фазы. Гиперспектральная съемка проводилась в лабораторных и полевых условиях с использованием камеры Cubert UHD-185 (диапазон 450–950 нм). Классификация спектральных данных выполнена с помощью алгоритмов машинного обучения (Random Forest и Linear Discriminant Analysis). Установлено, что для A. fruticosa и R. pseudoacacia предикторной фазой является цветение (диапазоны 530–670 нм и 462–466 нм), для A. altissima – плодоношение (диапазон 720–900 нм). Точность классификации моделей достигла 94–100%. Показано, что условия съемки (лабораторные и полевые) существенно влияют на переносимость моделей.
-
Управление инвазивными чужеродными видами древесных растений в степной зоне юга Европейской России (на примере Ростовской области)
Распространение древесных инвазивных чужеродных видов (ИЧВ) в травянистых экосистемах значительно изменяет их структуру и функционирование и стало серьезной экологической проблемой во всем мире. Поэтому разработка региональной стратегии управления древесными ИЧВ в степной зоне юга Европейской России, учитывающей экологические, социальные и экономические особенности региона, является актуальной задачей. На настоящий момент в границах Ростовской области зафиксировано 24 ИЧВ. Предложена принципиальная схема управления ИЧВ в степной зоне юга России, учитывающая зональную специфику процесса инвазии. Для Acer negundo, Ailanthus altissima, Amorpha fruticosa и Halimodendron halodendron предложена политика искоренения. Для остальных ИЧВ рекомендуется политика сдерживания избирательная по отношению к растительным сообществам. Отмечается, что реализация политики управления конкретным ИЧВ должна опираться на объективную оценку баланса экологического и экономического ущерба от его инвазии и эффекта экосистемных услуг от его культуры. Быть обеспечена финансовыми, технологическими и человеческими ресурсами, а также иметь обоснованные гарантии достижения поставленной цели.
-
Определение оптимальных периодов в фенологическом развитии видов клена для их идентификации по спектральным характеристикам листьев
Идентификация древесных видов растений является приоритетной задачей при проведении дистанционного мониторинга древесных насаждений в независимости от его целей. В последнее время растет число исследований по идентификации древесных растений методами спектрального фенотипирования. Вместе с тем идентификация древесных растений по их спектральным характеристикам остается сложной задачей. Одним из подходов к увеличению точности дистанционной идентификации растений является учет их фенологических различий. Целью исследования было проведение идентификации Acer platanoides, A. campestre, A. negundo, A. Saccharinum и A. Ibericum по спектральным характеристикам их листьев, представляющих подробный временной ряд за период вегетации и определение оптимального для идентификации периода в их фенологическом цикле. Исследование проводилось в лабораторных условиях, с использованием гиперспектральной камеры Cubert UHD-185. Идентификация видов кленов проводилась с помощью алгоритма случайного леса (RF) по пикселям. В качестве независимых переменных в RF модели использовались вегетационные индексы (ВИ). Было установлено, что наличие различий в фенологии видов является важной предпосылкой для их успешной идентификации. Наибольшая точность идентификации видов была достигнута в периоды весеннего развития и осеннего старения листьев. Ошибка OOB (Out-of-bag error) RF модели составила по этим периодам 2.1–6.1% и 4.3–6.7% соответственно. Определена группа неколлинеарных ВИ для классификации видов клена методом машинного обучения. Это ARI, Boochs, CCI, CI, CRI1, D1, D2, Datt3, Datt4, DDn, DPI, DWSI4, EVI, Gitelson, Gitelson2, LSINorm, LSIRed, MCARI, MCARI2, modPRI, MPRI, NDVI, PARS, PRI, PRI_CI2, PRI_norm, PSND, PSSR, SR4, SR5, TCARI2, TCARI2_OSAVI2 и TGI. Наиболее информативными для RF классификации кленов по вкладу в изменение значения ООВ error и индекса Джини оказались следующие ВИ: CCI, MPRI, DWSI4, Datt4, CRI1, DDn.
-
Влияние компоновки побегов сосны при гиперспектральной съемке в лабораторных условиях на статистические характеристики вегетационных индексов
Масштабный мониторинг фенологии растительности средствами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), оснащенных спектральными сенсорами, дает уникальную информацию о состоянии растительного покрова, климатических процессах, развитии экологических систем. Вместе с тем дистанционная фенология вечнозеленых растений в отличие от листопадных растений, имеет ряд проблем. Это выбор эффективных для описания фенологии вегетационных индексов, диагностика состояний вегетации и покоя и др. Решить эти задачи можно в лабораторных условиях, в которых отсутствуют проблемы с пространственным, временным и спектральным разрешением, характерные для ДЗЗ. Вместе с тем, при спектральной съемке листьев или побегов растений с близкого расстояния остается проблема смешанных пикселей, объединяющих фон и растительный объект. Целью исследования был поиск оптимальной компоновки побегов сосны для гиперспектральной съемки в лабораторных условиях. Объектом исследования послужила Pinus sylvestris L. Протестированы два варианта компоновки побегов для гиперспектральной съемки в виде отдельного ауксибласта (первый вариант) и брахибластов, уложенных плотно в несколько рядов (второй вариант). Способ компоновки побегов сосны, существенно повлиял на средние значения нормализованного относительного индекс растительности (NDVI) и индекса фотохимического отражения (PRI), но не повлиял на значения индекса отношения содержания хлорофиллов к каротиноидам (ССI). При этом полиномиальные линии регрессий NDVI и PRI в первом и втором вариантах параллельны, а для ССI совпадают. Поэтому вариант компоновки побегов является не принципиальным для определения тренда временного ряда. Это может иметь значение для определения количественных характеристик фенологического развития сосны по временным рядам спектральных характеристик, таких как начало и завершение периода вегетации. Значения NDVI и ССI в обеих вариантах не распределяются по нормальному закону. Второй вариант компоновки побегов приближает распределение значений PRI к нормальному типу. Поэтому сезонная динамика сосны может быть описана в виде временных рядов медианы NDVI и ССI и временных рядов средней арифметической PRI.
-
Сезонная динамика NDVI у видов клена
В работе была предпринята попытка с помощью гиперспектральной камеры в контролируемых условиях лабораторного эксперимента получить уникальные кривые сезонной динамики значений NDVI, позволяющие идентифицировать виды клена. Объектами исследования послужили образцы Acer campestre L., Acer negundo L. и Acer saccharinum L. Съемка листьев кленов проводилась в лабораторных условиях с помощью гиперспектральной камеры Cubert UHD-185 при искусственном освещении. Для контроля результатов осуществлялось определение содержания хлорофилла а спектрофотометрическим методом. Исследования проводили в течение периода вегетации кленов от фенологической фазы «полное развертывание листьев» до фенологической фазы «начало осеннего расцвечивания листьев». Установлено, что сезонная динамика значения NDVI сходна с динамикой хлорофилла а, рассчитанной спектрометрическим методом. Эмпирические линии регрессии величины NDVI у всех трех видов клена в большинстве сроков съемки синхронны, в особенности в зоне максимума и минимума. Вместе с тем разница между видами кленов по NDVI выражена не так резко, как у хлорофилла а, хотя в большинстве сроков съемок значение NDVI у A. campestre выше, чем у остальных двух видов кленов. Предполагаем, что NDVI signature не может быть использована для разделения видов рода Acer. Однако, для идентификации родов, значительно различающихся по фенологии, использование NDVI signature является вполне возможной.
-
Идентификация сорных видов растений в агроценозах озимой пшеницы по данным гиперспектральной съемки
В работе предпринята попытка оценить возможность использования вегетационных индексов, рассчитанных по данным гиперспектральной съемки, для идентификации сорных видов растений в агроценозах озимой пшеницы. Объектами исследования послужили образцы Buglossoides arvensis (L.) I.M. Johnst., Galium humifusum M. Bieb., Lamium amplexicaule L., Setaria pumila (Poir.) Roem. & Schult. и Sinapis arvensis L. Изучение спектральных характеристик выбранных объектов проводились с использованием кадровой гиперспектральной камеры Cubert UHD185. Фиксировалось отраженное электромагнитное излучение от образцов в диапазоне 450–950 нм. По данным спектральной съемки было рассчитано по 80 вегетационных индексов для каждого образца. Для сравнения средних значений вегетационных индексов был применен однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), метод Random forest (RF) и Principal component analysis (PCA). Полученные результаты подтверждают возможность использования гиперспектральных сенсоров для индентификации сорных видов растений в агроценозах озимой пшеницы по данным гиперспектральной съемки с помощью вегетационных индексов.