Реферат: Рыбинское водохранилище
Методы вычисления вегетационных индексов (в т.ч. индекса NDVI) заключаются в выделении зеленой растительности с помощью простого арифметического преобразования и относятся к полностью автоматизированным методам, в которых участие пользователя ограничивается лишь одним последним этапом – идентификацией выделенных объектов.
Использование вегетационных индексов возможно благодаря специфическому ходу спектральных кривых зеленой растительности (рис. ). Нормализованный вегетационный индекс NDVI равен отношению разности яркостей пиксела изображения в инфракрасном и красном диапазоне спектра к их сумме,
т.е.ИК – К .
ИК + К При этом, чем больше значение данного индекса, тем более яркой является рассматриваемая растительность и тем в более хорошем состоянии она находится.
1.5 Основные понятия и методика кластерного анализа
Кластерный анализ относится к цифровым автоматизированным методам обработки космических изображений и позволяет выделять контура с неконтрастной по спектральной яркости структурой. Это могут быть как непосредственно выделяемые растительность, открытые почвы, вода, облака и другие объекты (рис. ), так и некоторые особенности территории, выделяемые по косвенным признакам, например, увлажнение, степень продуктивности почв, литологический состав пород и т.д.
Алгоритм кластеризации производит спектральный анализ исходного многозонального растрового изображения и пересчитывает его в однозональное, распределяя все пикселы в кластеры по их яркостным характеристикам.
Метод кластеризации ISODATA использует спектральные расстояния как основу, но классифицирует пикселы в несколько приемов (итераций), переопределяя критерии для каждого класса и классифицируя снова таким образом, что спектральные расстояния составляющих исходных данных постепенно уточняются. Также он пересчитывает статистику.
Метод ISODATA использует минимальное спектральное расстояние, чтобы определить соответствующий кластер для каждого пиксела. Процесс начинается с назначения случайного (приближенного) среднего значения кластера и повторяется до тех пор, пока это значение не достигнет величины среднего для каждого кластера исходных данных. Начальные средние значения кластеров распределяются равномерно вдоль центрального вектора спектрального пространства. Количество кластеров задается пользователем.
В течение первой итерации пространство равномерно разбивается на области, центром каждой из которых являются средние значения кластеров (рис. ). Пикселы анализируются с левого верхнего угла изображения к нижнему правому, блок за блоком. Вычисляется спектральное расстояние между пикселом и средним значением кластера. Пикселы назначаются в тот кластер, где это расстояние минимально (рис. ). При этом назначенные центры кластеров смещаются, т.к. их средние значения меняются в зависимости от преобладающих яркостей попавших в них пикселов. Для того, чтобы определить расположение новых центров, производится второй пересчет. В процессе второй итерации снова определяются минимальные спектральные расстояния между точками и новыми средними значениями кластеров. В результате этого пикселы снова перераспределяются.
Такие пересчеты повторяются до тех пор, пока все точки с 95%-й вероятностью не попадут в какой-либо кластер (рис. ). Пользователь может сам задать максимальное количество итераций.
Результатом кластеризации методом ISODATA является тематический растровый слой и набор статистик, включающих средние значения кластеров, минимальные и максимальные значения яркостей входящих пикселов, среднее квадратическое отклонение и ковариационную матрицу между спектральными каналами. Также, используя данный метод, пользователь может оценить пространственные характеристики различных объектов, однако, при этом ему необходимо переводить изображение в какую-либо равновеликую или равнопромежуточную картографическую проекцию, позволяющую рассчитывать площади.
В данной работе была использована проекция Меркатора для стран широт Северной Америки. Функция самоорганизации позволяет обойтись минимальным вмешательством человека в процесс распределения кластеров, пользователю лишь необходимо задать цвета для каждой получившейся градации и идентифицировать их.
1.6 Методика проведения работы
Для того, чтобы оценить возможности цифровых методов при дешифрировании и обработке изображений, полученных со спутника, были взяты два снимка высокого и среднего разрешения на район Рыбинского водохранилища. На значительную часть этого района, занимаемую Дарвинским Государственным заповедником, в результате длительных полевых исследований был накоплен очень обширный фактический, картографический и статистический материал. Это сыграло определенную роль в выборе территории исследования, и заповедник был выбран в качестве тестового участка.
Работа состояла из нескольких этапов. Первый заключался в дешифрировании природных и антропогенных структур района Рыбинского водохранилища и, в частности, Молого-Шекснинского полуострова по исходным космическим снимкам. По снимку среднего разрешения от 31.05.97, как по более информативному для визуального дешифрирования и охватывающему большую территорию, была составлена схема дешифрирования и легенда к этой схеме.
На втором этапе проводилась обработка исходных снимков цифровыми методами и анализ полученных результатов.
Последний, третий этап заключался в непосредственном анализе возможностей цифровых методов обработки при дешифрировании природных и антропогенных структур района Рыбинского водохранилища и их свойств. Он осуществлялся с помощью перечисленных в Введении тематических и общегеографических карт на данный район.
II. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И ЛАНДШАФТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РЫБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
2.1 Климат
Данная территория располагается в западной подобласти атлантико-континентальной лесной климатической области и характеризуется достаточным и устойчивым увлажнением. Годовая сумма инсоляции составляет 78-80 ккал/см2 в год. Радиационный баланс составляет 19-20 ккал/см2 в год. Значительный радиационный баланс (19-20 ккал/см2 в год) способствует трансформации (прогреванию и увлажнению) воздушных масс и обуславливает недостаточно полное испарение выпадающих осадков, которое составляет 500-600 мм в год, в отдельные сезоны и года наблюдается избыток влаги. Такое избыточное увлажнение территории связано с циклоническим режимом погоды.
Средняя температура в январе составляет около -10о С, в июле +17...+18о С. Сумма активных температур составляет приблизительно 1800о С, безморозный период длится 120 дней. Зимой устанавливается снежный покров, предохраняющий почву от сильного промерзания.
Рыбинское водохранилище, занимающее наиболее пониженную часть Молого-Шекснинской низменности и имеющее площадь около 4.5 км2 , является крупным местным фактором, влияющим на климат. Обширное водное пространство способствует усилению ветра и некоторому уменьшению суточных колебаний температуры и влажности воздуха в летние месяцы.
2.2 Геолого-геоморфологическая структура
Согласно физико-географическому районированию Нечерноземного центра (1963) район исследования входит в Молого-Сарагожский зандрово-болотный, Рыбинский и Пошехоно-Тутаевский холмисто-равнинный районы южно-таежной подпровинции Верхневолжской провинции. Она занимает преимущественно полого-холмистые возвышенные моренные и моренно-эрозионные равнины в области среднечетвертичного оледенения и обширные низменные озерно-ледниковые песчаные равнины с возвышающимися над ними “островами” моренных гряд и всхолмлений. Первые характеризуются приуроченностью к пластовым равнинам, сложенным пермскими и мезозойскими преимущественно пестроцветными отложениями. Дочетвертичные породы перекрыты московской (реже днепровской) мореной, обычно размытой и маломощной. Внутренние площади водоразделов часто заболочены. Озерно-ледниковые песчаные равнины обычно приурочены к широким, часто долинообразным понижениям в коренных породах. Сложены песками и супесями, обычно маломощными, подстилаемыми мореной, ленточными глинами или дочетвертичными породами. Рельеф слабо террасированный, дренаж недостаточный (4). Эрозионное расчленение равнины связано с развитием речной сети бассейна верхней Волги.
Непосредственно на рассматриваемой территории с северо-востока к Рыбинскому водохранилищу подходит возвышенная моренно-эрозионная равнина (Карта ландшафтов СССР, прил. ), перекрытая тяжелыми покровными суглинками и глинами, а также средними и легкими моренными завалуненными суглинками (Почвенная карта, прил. ). Ее абсолютные высоты увеличиваются с запада на восток в сторону Рыбинско-Сухонской зоны поднятий от 130-140 до 200-250 м. Всю остальную территорию занимает озерно-ледниковая низменная песчаная равнина, включающая практически полностью Молого-Шекснинский полуостров и окаймляющая водохранилище со всех сторон, кроме северо-восточного побережья, с абсолютными высотами не более 150 м. Она сложена аллювиально-зандровыми и озерно-ледниковыми песчаными отложениями, перекрытыми вдоль юго-западного побережья водохранилища средними и легкими покровными суглинками, которые в его южной части, в излучине Волги, сменяются завалуненными озерными и аллювиальными супесями. К северо-востоку от г. Рыбинск при приближении к долине р. Согожи начинают встречаться территории, перекрытые тяжелыми глинами и суглинками, как и вся территория к северо-востоку от водохранилища. В районе г. Череповца картина более мозаичная, город находится непосредственно на стыке ареалов подстилающих пород нескольких типов: средние и легкие карбонатные моренные каменисто-валунные суглинки, озерные и аллювиальные супеси и суглинки. Долины рек Мологи и Суды выполнены аллювиальными и озерными песками. Молого-Андожское междуречье, как и Молого-Шекснинский полуостров, характеризуется очень низкими абсолютными высотами местности, слабо расчлененным рельефом и слабой степенью дренированности.
2.3 Почвы
Почвенная структура данной территории оценивалась по почвенной карте Нечерноземной зоны РСФСР (прил. ) В целом, на рассматриваемой территории распространены суглинистые и супесчаные дерново-подзолистые почвы разной степени оподзоливания, часто оглеенные. Очень широко распространены различные типы болотных почв.
В восточной части данной территории преобладают глинистые и суглинистые дерново-сильноподзолистые почвы, в основном, массивами на междуречьях, а также присутствуют небольшими островками к юго-западу от водохранилища. На остальной территории рассматриваемого района, кроме Звано-Андожского междуречья и Молого-Шекснинского полуострова, преобладают суглинистые и супесчаные дерново-средне- и слабоподзолистые почвы. Долинные комплексы рек, впадающих в водохранилище с севера, имеют песчанистые слабо-дерново-подзолистые иллювиально-железистые почвы, а на их междуречьях и в центральной части Молого-Шекснинского полуострова распространены торфяные и торфяно-глеевые почвы верховых болот. Также на полуострове широко представлены торфянисто-глеевые иллювиально-гумусовые подзолы и дерново-подзолисто-глеевые и глееватые почвы, которые встречаются отдельными вкраплениями и на остальной части рассматриваемой территории. Рыбинское водохранилище играет очень значительную роль в постепенном изменении условий почвообразования на окружающих его территориях, вызванном их подтоплением (например, тенденция усиления процесса оглеения почв).
2.4 Растительность
Данная территория почти полностью расположена в подзоне южной тайги, лишь небольшая ее часть к югу от р. Волги принадлежит подзоне смешанных лесов. Растительность этого района в значительной степени изменена человеческой деятельностью, коренные хвойные леса на большей части лесных площадей заменены вторичными мелколиственными модификациями. Максимальное распространение условно-коренная растительность имеет на Молого-Шекснинском полуострове, небольшие массивы сохранились к северу от г. Череповец и от г. Рыбинск, а также на междуречье рек Большой Юг и Согожа. В остальных местах естественные леса занимают очень незначительные площади (Карта охраны растительного мира, прил. ). Лесистость территории колеблется от 30% до 55% (14).
Структура лесов района Рыбинского водохранилища очень мозаична и характеризуется мелкоконтурностью (Карты лесов Вологодской и Ярославской областей, прил. и ). Основными коренными породами, произрастающими на данной территории, являются ель и сосна, причем в их расположении видна четкая зависимость от состава почвообразующих пород: сосна приурочена в основном к песчаным и супесчаным субстратам, она занимает наибольшие площади на Молого-Шекснинском полуострове, в районе г. Череповец, в долине Волги на юге рассматриваемой территории. Ель распространена в меньшей степени, ее основные массивы находятся на междуречье Согожи и Большого Юга и междуречье Ухры и Волги. Гораздо большие территории заняты вторичными березовыми и осиновыми лесами, они встречаются практически повсеместно, однако больше всего их в восточной части рассматриваемого района.
Болотная растительность характеризуется гораздо меньшей измененностью, чем леса, она коренным образом изменена лишь в районах торфяных месторождений (Карта торфяных месторождений, прил. ). В структуре растительности широко распространенных на низменных территориях Молого-Шекснинского полуострова и в районе г. Череповца комплексов верховых болот преобладает сфагнум (Sphagnum angustifolia, S. obtusum, S. medium и др.), присутствуют болотные кустарнички (кассандра, багульник, морошка, голубика, клюква). Часты болота с развитым ярусом из сосны и березы. Для переходных болот, располагающихся по окраинам большинства верховых, характерно сочетание сфагновых мхов с пушицей, шейхцерией, осоками или гипновыми мхами. Более редкие на этой территории низинные болота (единственное, но достаточно крупное болото расположено к востоку от г. Рыбинска) характеризуются сильным зарастанием травами (осоки и влаголюбивое разнотравье) и гипновыми мхами, а местами черной ольхой и ивняком (14).
О распространении и составе культурной растительности данной территории дают некоторое представление карты использования земель и сельского хозяйства (прил. и ). На данной территории наибольшие площади заняты под посевы зерновых и кормовых культур, льна, посадки картофеля и овощей, а также под растительностью естественных кормовых угодий.
2.5 Ландшафты
Большая часть территории района Рыбинского водохранилища относится к Пошехоно-Тутаевскому холмисто-равнинному району, расположенному к востоку от водохранилища, Рыбинскому району, включающему в себя непосредственно водохранилище и окружающие его низменные пространства, и Молого-Сарагожскому зандрово-болотному району (14, 1963). Они относятся к южно-таежной подпровинции Верхневолжской провинции, которая представлена преимущественно ландшафтами полого-холмистых возвышенных моренных и моренно-эрозионных равнин в области среднечетвертичного оледенения и обширными низменными озерно-ледниковыми песчаными равнинами, с возвышающимися над ними “островами” моренных гряд и всхолмлений, со смешанными лесами на дерново-подзолистых и подзолисто-болотных почвах. Первые характеризуются приуроченностью к пластовым равнинам, сложенным пермскими и мезозойскими преимущественно пестроцветными отложениями. Дочетвертичные породы перекрыты московской (реже днепровской) мореной, обычно размытой и маломощной. Внутренние площади водоразделов часто заболочены. Озерно-ледниковые песчаные равнины обычно приурочены к широким, часто долинообразным понижениям в коренных породах. Сложены песками и супесями, обычно маломощными, подстилаемыми мореной, ленточными глинами или дочетвертичными породами. Рельеф слабо террасированный, дренаж недостаточный (4). Значительное место занимают естественные кормовые угодья и пашни.
2.6 Ландшафты Дарвинского заповедника
Дарвинский заповедник относится к ландшафтам низменной озерно-ледниковой песчаной равнины и находится в переходной полосе между зонами выпуклых олиготрофных торфяников и эвтрофных и олиготрофных сосново-сфагновых торфяников, что обуславливает здесь широкое распространение как грядово-мочажинных олиготрофных болот, так и сосново-сфагновых болотных массивов.