научная статья по теме АНАЛИЗ ЭКОТОПИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЛЕСОВ СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ЗИМНЕЙ СЪЕМКИ ПО ДАННЫМ LANDSAT И ДАННЫХ РАДАРНОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ЭКОТОПИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЛЕСОВ СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ЗИМНЕЙ СЪЕМКИ ПО ДАННЫМ LANDSAT И ДАННЫХ РАДАРНОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 2, с. 82-89

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ^^^^^^^^^^ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

АНАЛИЗ ЭКОТОПИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ЛЕСОВ СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ЗИМНЕЙ СЪЕМКИ ПО ДАННЫМ LANDSAT И ДАННЫХ РАДАРНОЙ ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

© 2014 г. М. В. Архипова

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН), Москва E-mail: masha-a@yandex.ru Поступила в редакцию 06.06.2013 г.

Космические снимки Landsat зимнего периода использованы для создания карты лесов на трансект, проходящий по центру Среднерусской возвышенности. Они позволяют быстро и четко отделить древесную хвойную, древесную лиственную и недревесную растительность. Для исключения антропогенной древесной растительности (лесополос, садов и небольших парков) был применен фильтр, показывающий колебания яркости вокруг каждого пиксела снимка. Слой экотопов создан на основе радарной топографической съемки (SRTM). Применен ряд алгоритмов для исправления ошибок SRTM. Разработана методика для выделения каждого экотопа (пойма, терраса, овражно-балочная система, водораздельный склон, ровная водораздельная поверхность). Результатом является карта приуроченности лесов к различным экотопам. Показано, что леса уходят с водоразделов лишь на самом юге исследуемой территории. Анализ засечных массивов выявляет антропогенную направленность изменения экотопической структуры лесов возвышенности.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, лесная растительность, радарная топографическая съемка ^ЯТМ), экотопы, Среднерусская возвышенность

DOI: 10.7868/S020596141402002X

ВВЕДЕНИЕ

Согласно литературным данным (Растительный покров СССР, 1956; Растительность Европейской части..., 1980; Исаченко, 1985; Map of the natural vegetation., 2004), существует определенная закономерность — в зависимости от ботани-ко-географической зоны леса преимущественно занимают следующие определенные экотопы:

— в зоне широколиственных лесов — все возможные элементы рельефа;

— в зоне лесостепи — приуроченные к возвышенностям, склонам долин и балок, особенно к северным;

— в зоне северных степей — произрастают в долинах рек и по балкам.

Цель исследования — изучение на основе материалов космической съемки распределения лесов по экотопам в пределах Среднерусской возвышенности и выяснение существования зависимости между зональным положением лесов и местообитаниями, которые они занимают.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Среднерусская возвышенность находится в центре Восточно-Европейской равнины. Она про-

стирается от широтного течения р. Ока на севере до Донецкого кряжа на юге. Ледники дважды заходили на территорию возвышенности. Моренные образования, перекрытые покровными суглинками, занимают север и восток возвышенности, в центре, на западе и юге дочетверичные образования перекрыты лесами и лессовидными суглинками (Спиридонов, 1978; Милановский, 1987). Во время оледенений возвышенность являлась рефу-гиумом для лесов (Пузаченко и др., 2008). Климат территории умеренно-континентальный, в целом благоприятный для произрастания лесов. По территории возвышенности проходят северные границы лесостепной и степной зон (Зоны и типы поясности., 1999). Широколиственные леса являлись зональным типом растительности на севере и западе, а также в центральной части возвышенности, где они сочетались с луговыми степями (Исаченко, 1980). Средняя современная лесистость для всей возвышенности составляет около 9%, для широколиственной зоны — около 14%, для степной и лесостепной — 5—6%. Лесистость оценивалась на основе карты растительности России (Барталев и др., 2011).

300 250 200 150 100 50

0 10 20

Лиственные леса

: Луга

30 40 50 ■ Хвойные леса х С/х поля

Северная граница лесостепи

Трансект

Леса

площадь, км кв. 0-3.9 4-22.8 | 22.9-67.6 ■■ 67.7-166.4

Северная граница степи

Рис. 1. Работа с зимним снимком Ьап(18а1 для создания карты лесов: а - исходный снимок Ьап(18а1 177-23 за декабрь 2001 г. - синтез каналов 3-2-1; б - классификация с обучением черным показаны лиственные леса, серым - хвойные; в - фильтрация (применение маски); г - распределение значений яркостей обучающих выборок в каналах 2 (ось У) и 5 (ось X) снимка; д - карта лесов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для решения поставленных задач использован трансект шириной приблизительно 100 км. Трансект проходит по центральной части Среднерусской возвышенности и начинается от р. Ока, пересекает долины рек Упа, Зуша, Сосна, Сейм и Псел в их верховьях, Оскол и Северский Донец. Исследуемый участок лежит в пределах трех зон -широколиственных лесов, лесостепи и степей. Для анализа изменения приуроченности лесов к

различным экотопом выбрана сеть, состоящая из бассейнов малых рек, так как территория водосборного бассейна малой реки включает практически все разнообразие местообитаний, свойственных данному ландшафту (Заугольнова и др., 2000).

Для выделения лесов использованы космические снимки Ьапё8а1-7 (разрешение 30 м, каналы 15, 7) за 2000-2003 гг. зимнего или ранне-весеннего периодов. На данных снимках хорошо отдели-

ЦМР до обработки

ЦМР после обработки

Рис. 2. Исправление ошибок ЦМР.

мы лесные массивы от нелесной территории, а также различимы хвойные и лиственные леса (рис. 1). Для выделения лесов использована стандартная процедура классификации с обучением пакета Erdas. На основе обучающей выборки исходное изображение разделено на четыре класса — леса лиственные, леса хвойные, луга и поля. Для дальнейшего анализа использованы первые два класса.

Зимние снимки дают хорошую возможность отделить лесные участки от безлесных, но при этом в класс лес попадает вся древесная растительность, включая лесополосы, сады, а также древесные посадки в пределах населенных пунктов. Для исключения данных объектов из слоя лесов использована маска, созданная на основе того же снимка, где значение каждого пискела — это показатель разнообразия яркостей в пределах квадрата 5 х 5 вокруг пиксела (такой квадрат дает лучшие результаты по сравнению с другими размерами). Мерой разнообразия выступает количество пикселов в квадрате с различающейся яркостью (max = 25, min = 1). Отсеивая участки с большим разнообразием колебания яркостей, мы получаем относительно однородные области полей и лесов (рис. 1). Финально убираются контуры с площадью менее 10000 м2.

В результате дешифрирования получен слой лесов для трансекта (рис. 1). Для исследуемой территории характерно преобладание небольших лесов площадью до 5 км2. Крупные лесные массивы до 170 км2 встречаются на севере Среднерусской возвышенности (бассейны рек Упа и Ока в пределах трансекта) и, как ни странно, на юге, вдоль рек Оскол, Тихая Сосна, Северский Донец и их притоков.

Для выделения различных экотопов (пойм, террас, овражно-балочных систем, ровных и

склоновых поверхностей разных экспозиции в пределах водоразделов) использованы материалы радарной топографической съемки (SRTM). Пространственное разрешение съемки — 3 угл. с, разрешение по высоте — 1 м. Данные были получены с использованием техники радарной интерферометрии.

Перед использованием данные SRTM необходимо выправить, так как они имеют ошибки, связанные с растительностью, линейными сооружениями, а также регулярный шум (чередующиеся полосы) и крапчатый шум (Свидзинская, 2012). Для обработки SRTM использованы пакеты ArcGIS и SAGA Gis.

Ошибки, связанные с растительностью, выражаются в увеличении высоты поверхности при наличии леса или другой древесной растительности необходимого размера (рис. 2). Эти ошибки исправлялись следующим образом: для каждого массива древесной растительности, полученного на предыдущем этапе в результате дешифрирования космических снимков, вычислялось среднее превышение над окружающим периметром, затем из исходной цифровой модели рельефа (ЦМР) вычитались все лесные массивы, шум возникающий на границе, сглаживался фильтром.

Линейные сооружения (дороги) вызывают локальные ошибки ЦМР, связанные как с превышениями уровня дороги над окружающей местностью, так и с понижением. Ошибка исправлялась путем вырезания дороги из ЦМР и заполнения образовавшихся дырок интерполированными значениями окружения. Линейные сооружения были взяты из проекта OpenStreetMap и в дальнейшем корректировались по космическим снимкам и данным SRTM.

Крапчатый шум исправлялся в SAGA Gis с использованием модуля Multi Direction Lee Filter,

210 200 190 180 170 160 150 140

Нижнее течение р. Упа

Среднее течение р. Упа

1000 2000 3000 4000 Нижнее течение р. Оскол

2000

4000

6000

Среднее течение р. Оскол

230 220 210 200 190 180 170 160

Верхнее течение р. Упа

200 190 180 170 160 150

0 1000 2000 3000 4000 5000 Верхнее течение р. Оскол

2000

4000

6000

0 1000 2000 3000 4000 5000

1000 2000 3000 4000

Рис. 3. Высотные профили: по оси Уданы высоты в метрах, по оси X — расстояние в метрах.

0

0

0

Рис. 4. Пример слоя экотопов долины р. Зуша.

который анализирует ЦМР по 16-ти направлениям, позволяет устранить шум, сохраняя общий уклон поверхности и узкие долины (Свидзин-ская, 2012).

Регулярный шум исправлялся в SAGA Gis с использованием фильтра A. Perego (Perego, 2009).

Создание слоя экотопов требовало формализации каждого из местоположений и строилось следующим образом:

— пойма — ровный участок поверхности, прилегающий к водотоку и имеющий определенное превышение над водотоком, зависящее от порядка водотока;

— терраса — ровный участок поверхности, прилегающий к пойме и имеющий определенное превышение над водотоком, зависящее от порядка водотока;

— овражно-балочные системы — тальвеги временных водотоков и прилегающие к ним склоно-

Рис. 5. Доля лесов: а - на водоразделах, б - в поймах, с - в овражно-балочных системах, г - преобладающие леса. 1 -Граница широколиственной и лесостепной зон, 2 - граница степной и лесостепной зон.

вые поверхности в пределах бассейнов временных водотоков;

— водораздельные поверхности — остальная территория. Водоразделы подразделялись на ровные территории и склоновые поверхности.

Предварительно решались следующие задачи, необходимые для построения каждого из экотопов:

— по ЦМР строилась сеть тальвегов водотоков (O'Callaghan, Mark, 1984);

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком