Данные ICESat-2 для оценки высоты леса

Лидар ATLAS на борту спутника ICESat-2 — лидар с подсчетом фотонов (photon counting LIDAR). Он испускает лазерные импульсы с высокой частотой и детектирует отдельные фотоны, отраженные объектами на земной поверхности. Измерение времени полета фотона, совместно с информацией о положении и ориентации прибора, позволяет рассчитать координаты отражающего объекта земной поверхности, включая его высоту.

Пространственное разрешение прибора ATLAS, то есть размер “пятна” (footprint) лазерного луча на поверхности Земли составляет около 14 м. Частота генерации лазерных импульсов подобрана так, чтобы обеспечить смещение “пятна” каждого следующего импульса на расстояние около 70 см по мере пролета спутника. В результате происходит непрерывное получение информации вдоль трека спутника на земной поверхности для полосы шириной 14 м. Расстояние между двумя соседними треками измерений составляет около 3 км на экваторе.

Система ATLAS/ICESat-2, так же как и ее предшественник GLAS/ICESat, разработана в основном для мониторинга ледового покрова, но может быть использована и для оценки высоты леса на больших территориях, в том числе для бореальных лесов (Neuenschwander et al., 2020a). Результаты применения данных ATLAS/ICESat-2 для оценки высоты лесов России приведены в (Барталев и др., 2022) и (Шинкаренко и др., 2023).

Для оценки высоты леса используется информационный продукт ATL08, построенный по данным ATLAS/ICESat-2 и содержащий информацию о значениях высоты растительности. В указанном продукте полученное лидаром облако точек разделяется на четыре класса: подстилающая поверхность, листва/кроны (canopy), верхний полог листвы/крон (top-of-canopy) и шум. Далее, непрерывный трек, соответствующий полосе земной поверхности шириной 14 м, разбивается на сегменты длиной 100 м. Каждый стометровый сегмент состоит из пяти последовательных сегментов, длиной 20 м, взятых из продукта ATL03. Пространственное расположение таких сегментов характеризуется координатами их центров. Таким образом, данные ATL08 представлены в виде сегментов шириной 14 м и длиной 20 м (Neuenschwander et al., 2022), что позволяет обеспечить достаточно высокую пространственную детальность измерений высоты.

Элемент набора данных ATL08 соответствует одному сегменту и содержит параметры, характеризующие распределение относительной высоты растительности на данном участке: значения минимума, максимума, среднего, стандартного отклонения и различные перцентили высот растительности, а также количество измерений и показатель степени их неопределенности (uncertainty). Высота отразивших фотоны элементов растительности (кроны/листва) оценивается относительно пространственно-интерполированных точек, отнесенных к классу подстилающей поверхности. В качестве параметра, характеризующего высоту леса, используется величина h_canopy — 98 перцентиль высот растительности.


Барталев С.А., Богодухов М.А., Жарко В.О., Сидоренков В.М. Исследование возможностей использования данных ICESat-2 для оценки высоты лесов России. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 195-206. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-4-195-206

Шинкаренко С.С., Барталев С.А., Богодухов М.А., Жарко В.О. Оценка возможностей определения высоты и проективного покрытия защитных лесных насаждений по данным ICESat-2. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. №2. С. 174–183. http://dx.doi.org/10.21046/2070-7401-2023-20-2-174-183

Neuenschwander, A., Guenther, E., White, J. C., Duncanson, L., & Montesano, P. (2020). Validation of ICESat-2 terrain and canopy heights in boreal forests. Remote Sensing of Environment, 251, 112110. https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112110

Neuenschwander A., Pitts K., Jelley B. et al. Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite 2 (ICESat-2): Algorithm Theoretical Basis Document (ATBD) for Land-Vegetation Along-Track Products (ATL08). Version 6. 2022. 144 p. https://doi.org/10.5067/8ANPSL1NN7YS

#лидар #лес

Тропический циклон на радарном снимке

Тропический циклон "Лола" обрушился на островное государство Вануату, расположенное в южной части Тихого океана, 24 октября нынешнего года, принеся с собой обильные осадки, ветер скоростью до 145 км/ч и штормовые нагоны на архипелаг. За следующие 48 часов циклон нанес значительный ущерб жилым домам и посевам в северных и центральных провинциях страны.

Этот снимок циклона "Лола" получен 24 октября радаром спутника Sentinel-1А. На снимке отчетливо виден “глаз” циклона к востоку от острова Маэво. В рекламе радарной съемки нередко заявляют о том, что она всепогодна и не зависит от облачности. И хотя мы знаем, что это не совсем так, снимок циклона, сделанный радаром является редкостью.

#снимки #SAR

Благодарим, расположив в календарном порядке, телеграм-каналы, делавшие репосты и цитировавшие наши публикации в октябре 2023 года:

* @twrussia
* @IngeniumNotes
* @UAVPro
* @UzbekistanTtransparentWorld

Обзор канала за октябрь

В октябре мы…

🖥 Приступили к изучению R (#R). Начали с основ языка: переменных и структур данных. Учебник по R собираем здесь. Основ осталось немного. В ноябре перейдем, наконец, к пространственным данным.

👨🏻‍💻 Знакомились с новыми коллекциями данных (#данные) и полезными инструментами. OpenTopography — сервис для хранения топографических и батиметрических данных, а также инструментов для работы с этими данными. geojson.io — инструмент для создания, просмотра и обмена векторными картами. Satellites.pro — свободный агрегатор спутниковых изображений и карт. На Google Earth Engine появились данные Harmonized Landsat Sentinel-2 TOA, а также ESA CCI Global Forest Above Ground Biomass и AgERA5 (ECMWF) dataset.

🖥🛰 Изучали возможности Google Earth Engine (#GEE). Атмосферная коррекция данных Sentinel-2 Level-1C позволяет продлить временной ряд данных Sentinel-2 Surface Reflectance, начав его с 2015 года вместо 2019. Обобщили наши знания по маскированию облаков и теней на снимках Sentinel-2. Познакомились с топографической коррекцией и коррекцией угла съемки в надир для данных Sentinel-2 Surface Reflectance. Научились рассчитывать индексы состояния растений: VCI, TCI и VHI. Учебник по GEE с “живыми” примерами кода находится здесь. Более крупные проекты — здесь.

📖🛰 В рубрике “Основы ДЗЗ” ( #основы) обсудили влияние вулканов и стратосферных аэрозолей на климат. Разобрали, отчего зависит цвет морской воды и как распространение радарных сигналов в атмосфере зависит от длины волны. Cобрали учебники по ДЗЗ, подготовленные по проекту SEOS, в том числе, на русском языке.

📜 🗓 Вспоминали о том, как 66 лет назад Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник Земли. Познакомились с планами по созданию новой группировки метеоспутников NOAA — Near Earth Orbit Network, новой российской группировки спутников ДЗЗ “Грифон” и планами по развитию российской спутниковой группировки до 2036 года.

🚀Следили за запуском европейской ракеты-носителя Vega, которая успешно вывела на орбиту несколько интересных спутников, но только не космическую тросовую систему с электропроводящим тросом ESTCube-2. Ожидаем проведения российского эксперимента “Напор-миниРСА” по радарной съемке с борта МКС.

🔔 🗓 Публиковали анонсы конкурсов, турниров, соревнований и челенджей, связанных с космонавтикой и дистанционным зондированием, а также научных конференций и семинаров. На некоторые регистрация еще продолжается. Ищите их по хештегам: #конкурс #конференции Особенно отметим “Золотой лекторий” на Всероссийском фестивале NAUKA 0+ с десятками научно-популярных лекций российских ученых. Все записи доступны в VK.

🖥📡 Знакомились с новыми технологиями. 1️⃣ IDRS реализует двусторонний канал передачи данных через группировку геостационарных спутников INMARSAT-4, что позволяет компаниям-операторам спутников на низкой околоземной орбите в любой момент связаться со своими аппаратами. 2️⃣ Тепловая съемка на спутнике HotSat-1 реализована в среднем инфракрасном диапазоне. Возможно, определять температуру поверхности с его помощью станет сложнее, зато сенсор стал дешевле, а выявлять очаги возгораний такой выбор диапазона не помешает.

🔥🌋Следили за стихийными бедствиями: лесными пожарами в Индонезии и в Канаде (последние, наконец-то, пошли на спад), извержением вулкана Безымянный на Камчатке и тропическим циклоном “Лола” в Тихом океане.

📸 ❄️🌕 Рассматривали снимки мыса Челюскин, снимки Земли c японского лунного зонда SLIM, а также тень от Луны на поверхности Земли, возникшую в результате кольцеобразного солнечного затмения.

🌲 Много писали о лесе и оценках его биомассы: об углеродных кредитах и компенсациях, методе оценки надземной биомассы леса в проектах углеродной компенсации, данных ICESat-2 для оценки высоты леса, о том, где их взять, а также о том, как беспилотники ускоряют проведение лесной таксации.

В октябре число подписчиков канала превысило 500. Нам очень приятно!
Спасибо, что читаете.

#октябрь2023

Археологические открытия в Амазонии

Расширение использования воздушной лидарной съемки в последние несколько лет привело к резкому скачку числа археологических находок в Амазонии. Так, в прошлом году в Боливии была обнаружена новая археологическая культура — Касарабе*. Раньше, археологи использовали в этом районе данные оптической и радарной съемки, но эти данные не позволяли заглянуть под полог леса, обладали недостаточным пространственным разрешением и не могли обнаружить некоторые виды объектов, в частности, земляные сооружения. Последние в большом количестве обнаруживают на спутниковых снимках высокого разрешения, но сделать это можно только на безлесных территориях, а таких в Амазонии около 17%. Что же происходит на остальных 83%?

Винисиус Перипато, специалист по дистанционному зондированию из Национального института космических исследований Бразилии, искал земляные сооружения по лидарным данным, собранным за 5 лет наблюдений. Вместе с коллегами, он изучил 5315 кв. км данных, выявив более 900 известных земляных сооружений и обнаружив 24 ранее не зафиксированные постройки. Однако все их усилия походили на поиск иголки в стоге сена, так как покрытая лидарными данными территория охватывала лишь около 0,08% площади Амазонии.

Поэтому, основываясь на новых находках и ранее обнаруженных земляных сооружениях, Перипато с коллегами разработали компьютерную модель для прогноза мест возможного расположения земляных сооружений. Модель учитывала факторы, позволяющие людям выжить в данном регионе, в частности, расстояние до ближайшего источника воды, количество осадков, температуру и тип почвы.

Результаты моделирования показали, что до сих пор не обнаружено от 10272 до 23648 земляных сооружений. Подавляющее большинство из них, скорее всего, расположено в юго-западной части тропического леса.

Если результаты Перипато и его коллег окажутся верны, будет развеян миф о том, что Амазония — огромное пространство, покрытое девственными лесами, которое сформировалось под воздействием природных сил с минимальным участием человека. Напротив, вблизи мест, где были обнаружены земляные сооружения, наблюдается высокая концентрация 53 видов одомашненных деревьев. Среди них какао, бразильский орех, хлебный орех, каучуковое дерево и десятки других. Это свидетельствует о том, что жители региона изменяли природный ландшафт, чтобы иметь постоянный запас продовольствия и полезных материалов. Так что Амазония похожа скорее не на девственный лес, а на заброшенный сад. Следующий вопрос: почему он был заброшен?


Оригинальная статья (Peripato et al., 2023): http://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2541
Статью можно свободно взять здесь.
Качественный пересказ результатов статьи в Smithsonian Magazine.
Подробности о модели и использованных данных — в дополнительных материалах к статье.

* Про открытие культуры Касарабе. Оригинальная статья: Prümers, H., Betancourt, C.J., Iriarte, J. _et al._ Lidar reveals pre-Hispanic low-density urbanism in the Bolivian Amazon. Nature 606, 325–328 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04780-4. Качественный пересказ в Smithsonian Magazine.

#лидар #археология

Оригинальная статья (Peripato et al., 2023) и дополнительные материалы к ней.

Начнем утро с R.

Управление ходом вычислений: условные операторы

Скалярный условный оператор if в R записывается так:

if (условие) {
  выполняется, если условие истинно
} else {
  выполняются, если условие ложно
}

Конструкции else-if в R нет.

Внимание! Если в коде записано:

if (condition == TRUE) x <- TRUE
else x <- FALSE

R воспримет первую строку как закончившуюся. Вторая строка, начинающаяся с else, будет истолкована как самостоятельный оператор. А поскольку такого оператора нет, будет выдано сообщение об ошибке

##    Error: unexpected 'else' in " else"

Чтобы R интерпретировал else как часть предшествующего if’а, нужно указать при помощи фигурных скобок, что if еще не закончился:

if (condition == TRUE) { 
  x <- TRUE
} else {x <- FALSE}

Есть в R и скалярный switch, но используется он редко.

Векторный условный оператор ifelse выполняет проверку условия сразу для всего вектора и возвращает логический индекс, в соответствии с которым выполняется то или иное действие:

ifelse(условие, выполнить_если_ИСТИНА, выполнить_если_ЛОЖЬ)

В следующем примере функция вычисления квадратного корня выдаст предупреждение из-за наличия отрицательных аргументов:

x <- c(6:-4)
sqrt(x)

Значения аргументов необходимо предварительно отфильтровать, заменив отрицательные числа какими-нибудь допустимыми значениями, например, NA:

# фильтр для данных
x1 <- ifelse(x>=0,x,NA)
sqrt(x1)

Однако мы снова получим предупреждение в ситуации

ifelse(x>0,sqrt(x),NA)

потому что, несмотря на условие, sqrt() выполняет операцию над исходным "нефильтрованным" вектором.

#R

Управление ходом вычислений: циклы

Циклы в R используются довольно редко. "Винить" за это следует векторизацию. Тем не менее, иногда именно циклы являются самым простым путем решения задачи.

Синтаксис циклов в R похож на синтаксис циклов в C-подобных языках программирования. Циклы могут вкладываться друг друга в соответствии с обычными правилами вложения циклов.

Цикл со счетчиком записывается следующим образом:

for (i in start:stop) {
  <тело цикла>
}

Его применяют, когда количество повторений команд, помещенных в тело цикла, известно заранее.

for (i in 1:5) {
  print(i^2)
}

Функция print используется для вывода промежуточных данных из тела цикла.

Можно перебирать в цикле элементы вектора:

x <- c("Антон", "Арсений", "Дмитрий", "Сергей")
for(i in x) {
  print(paste("Имя", i, "состоит из", nchar(i), "символов."))
}

Цикл с предварительным условием используется тогда, когда число повторений тела цикла неизвестно, но задано условие, которое должно выполниться в результате этих повторений.

Тело цикла выполняется до тех пор, пока истинно условие:

while (условие) {
 <тело цикла>
}

Пример:

x <- 5
while (x < 10) {
 x <- x + 1
 print(x)
}

Для преждевременного выхода из цикла используется команда break. После нее управление передается во внешний цикл, команде, следующей за циклом из которого мы вышли. Команда next выполняет переход к следующей итерации цикла.

В следующем примере третий столбец матрицы A так и не будет заполнен:

A <- matrix(NA, nrow = 3, ncol = 3)
for (i in 1:3) {
  for (j in 1:3) {
    if (j > 2) break
      A[i,j] <- i + j
  }
}

#R

Спутник “СМОТР-Р”

Михаил Котов на 12-м Петербургском Международном Газовом Форуме сфотографировал несколько плакатов, посвященных спутнику “СМОТР-Р”.

“СМОТР-Р” — это радарный спутник, который планирует производить “Газпром СПКА”. Аппарат массой 650 кг, оснащенный радаром X-диапазона с активной фазированной антенной решеткой, должен быть изготовлен в 2025 году. Срок активного существования на орбите: 7 лет.

Параметры съемки (разрешение/ширина полосы захвата):

* детальный режим — 2 м / 11 км
* маршрутный режим — 5 м / 25 км
* обзорный режим — 15 м / 115 км

В перспективе планируется создание орбитальной спутниковой группировки из шести аппаратов “СМОТР-Р”. В таком случае период повторной съемки всего региона Северного морского пути составит 24 часа.

“Газпром СПКА” — дочерняя компания “Газпрома”, учрежденная в августе 2015 года для реализации проекта создания сборочного производства космических аппаратов (СПКА) в интересах “Газпрома” и других потенциальных заказчиков.

Ранее, производство спутников для системы дистанционного зондирования Земли "СМОТР" планировали начать на предприятии в подмосковном Щелкове уже в нынешнем году.

Предполагается, что в систему СМОТР войдут также спутники высокодетальной оптической съемки "СМОТР-В". Помимо сенсоров для мультиспектральной и панхроматической съемки, "СМОТР-В" оснащен газоанализатором, предназначенным для выявления источников выбросов метана и других парниковых газов.

📸Фото

#россия

Министерство госбезопасности Китая заявило об обнаружении в стране сотен нелегальных иностранных точек метеослежения, которые представляют потенциальную угрозу для национальной безопасности.

По данным китайских властей, объекты, которые передают метеоданные за границу в режиме реального времени, найдены в более чем 20 регионах страны, часть из них установлены у воинских частей и предприятий военной промышленности, некоторые проводят анализ урожайности в ключевых зерновых регионах КНР.