ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2014, № 3, с. 5-18
= ТЕОРИЯ И СОЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ ГЕОГРАФИИ
УДК 574.474, 504.064.36:574, 502.4
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ ЛАНДШАФТНОГО ПОКРОВА ПО ДАННЫМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦЕНТРАЛЬНО-ЛЕСНОМ ЗАПОВЕДНИКЕ
© 2014 г. Ю. Г. Пузаченко, И. П. Котлов, Р. Б. Сандлерский
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, РАН Центрально-лесной государственный заповедник. Нелидовский р-н, Тверская обл.
Поступила в редакцию 28.05.2012 г.
По результатам анализа различий отражения солнечной радиации в спектральных каналах в двух сценах спутника Landsat за март 1986 г. и март 2010 г. установлен масштаб и характер изменений растительного покрова, для которого выявлен баланс между разрушением и восстановлением. Небольшое нарушение баланса происходит в результате жизнедеятельности бобров, приводящей к обезлесению пойм ручьев и рек первого-второго порядков. Показаны различия в темпах восстановления леса на вырубках и возникновение квазиустойчивых сообществ мелколиственных лесов на старопахотных землях, а так же разрушение сосновых лесов на верховых болотах, и лесов, прилегающих к болотам с увеличением площади последних.
Ключевые слова: мониторинг, растительность, ландшафтный покров, лес, верховое болото, муль-тиспектральная дистанционная информация.
Мониторинг состояния ландшафтного покрова рассматривается как средство, обеспечивающее управление хозяйственной деятельностью, способствующее реализации стратегии устойчивого развития, сохранению среды, оценке круговорота углерода, масштабов природных и антропогенных нарушений и самовосстановления экосистем [1, 2, 12]. Наиболее естественной основой его реализации являются мультиспектральные измерения отражения солнечной радиации со спутников. Особо охраняемые природные территории, включающие в себя не затрагиваемое хозяйственной деятельностью ядро, и охранную зону с традиционными формами землепользования, создают хорошую основу для понимания воздействия на динамику ландшафтного покрова различных форм землепользования [3]. В предлагаемом сообщении динамика растительного покрова оценивается на основе сравнения сцен спутника Landsat ТМ за март 1986 и март 2010 гг. для территории Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника, его охранной зоны и прилегающих территорий.
Общие положения. Отражение солнечной радиации от земной поверхности определяет состояние растительности: соотношение видов, про-
ективное покрытие, запас фитомассы, положение растительных сообществ на местности. Наряду с этими относительно консервативными условиями, отражение в различных каналах существенно зависит от сезона года, времени суток и погоды [8-11]. В результате изображения, полученные в разное время в течение даже одного года и разного времени суток, не являются полностью подобны. Так изображения, полученные для периода с большим количеством осадков, принципиально отличаются от таковых для того же месяца, но в условиях засухи. Эта чувствительность к высокочастотной динамике сама по себе открывает широкие возможности исследования функционирования экосистем, но создает существенные искажения при выделении долговременных изменений, отражающих изменения собственно растительного покрова. Так как отражение солнечной радиации от лесного полога во всех спектральных каналах всегда существенно ниже, чем от травяной и кустарниковой растительности и тем более от оголенной почвы, эти искажения не столь существенны для распознания катастрофических преобразований растительного покрова, таких как вырубки, ветровалы, пожары, дефолиация в результате размножения насекомых вредителей или мощного атмосферного загрязнения. Иска-
жения становятся существенными при попытке воспроизведения медленных восстановительных суксцесионных смен растительности или смены в пространстве одного типа растительного покрова другим.
P. Coppin с соавт. [10], обобщая мировой опыт обнаружения изменений по двум или сериям сравниваемых мультиспектральных изображений, выделяет шесть основных методов: 1) классификация по двум или нескольким срокам и идентификация изменений через кросстабуляцию, 2) одновременная классификация двух или нескольких изображений, 3) вычисление разности между каналами, 4) определение отношения между каналами, 5) линейные преобразования (методы главных компонент, ортогонализации tasselled cap, векторного анализа, оценивающие изменения по дистанциям между ортогонализованными данными для сравниваемых изображений, регрессионный анализ одного срока относительно другого), 6) композиционный анализ, использующий априорную классификацию состояния поверхности и связанные с ними варианты дистанций между соответствующими полосами. Отмечается, что наиболее широко используется метод разностей, но столь же часто используются одновременно несколько методов и их сочетаний.
Материал и принятая методика анализа. Рассматриваемая территория с координатами в углах прямоугольника 32.607781 в.д., 56.682393 с.ш., 33.230169 в.д., 56.682798 с.ш., 32.611149 в.д., 56.354927 с.ш., 33.228192 в.д., 56.355327 с.ш. общей площадью 139.2 тыс. га. расположена на юге Валдайской возвышенности с высотами от 200 до 240 м н.у.м. Площадь собственно заповедника 24.415 тыс. га, охранной зоны - 46.061 тыс. га. На рассматриваемой территории представлено три основных типа местности: моренные гряды, сформированные московским и валдайским оледенением, плоские озерные равнины на месте приледниковых озер и флювиогляциальные равнины в южной части территории [5]. Отложения морены и озер перекрыты лессовидным покровным суглинком. Для моренных гряд характерны южно-таежные широколиственно-еловые леса и их производные, для озерных и флювиогляциаль-ных равнин - бореальные еловые леса. На пологих склонах моренных гряд и в отдельных понижениях озерных равнин развиты верховые болота. На озерных отложениях в составе древесного полога единично или небольшими группами встречается сосна. По болотам и их окраинам типично распространение сообществ с участием сосны. По окраинам болот иногда встречаются участки сомкнутых сосняков с возрастом 200-300 лет [7]. В
охранной зоне во второй половине XX в. произведены промышленные рубки, уничтожившие почти все еловые леса. В конце XX в. и первом десятилетии XXI в. добираются ранее недорубленные участки. Небольшие по площади сплошные вырубки были также проведены в южной части заповедника в период его закрытия (1951-1960 гг). Естественными факторами динамики растительного покрова являются ветровалы, охватывающие большие площади [4]. В северной части рассматриваемой территории сплошной ветровал на большой площади произошел в 1987 г., а в южной части - в 1996 г. Локальные выпадения отдельных крупных деревьев, открывающие окна в пологе с линейными размерами 10-20 м происходят постоянно. Следы более ранних ветровалов достаточно типичны. Вторым фактором разрушения лесов, проявившемся в последние 20 лет, является деятельность бобров, в результате которой вдоль ручьев первого-второго порядков образовались "бобровые луга". Пожары, в силу очень большого количества осадков - редкое явление, но в 1998 г. в результате сухой грозы в самом центре заповедника возник верховой пожар.
Для рассматриваемой территории имеется 22 сцены Landsat TM и ETM. Самая ранняя сцена соответствует марту 1986 г., а самая поздняя -марту 2010 г. Таким образом, анализ изменения растительного покрова оценивается для временного интервала в 24 года.
На рассматриваемой территории с 1996 г. по настоящее время проведено более 3000 описаний растительности и почв вдоль трансекты с регулярным шагом опробования в 20 м, в характерных точках, выделенных на местности. В анализе используются данные с 2005 г., наиболее сопоставимые с состоянием растительности в 2010 г., однако быстротекущие изменения растительности и точность привязки описаний по GPS в сомкнутом лесе могут вносить в отношения между свойствами растительности и мультиспектральным отражением солнечной радиации, измеренной со спутника Landsat, определенный шум.
Оценка изменений растительного покрова осуществлялась методом главных компонент, на основе которого, в частности, выделены каналы, используемые в анализе. Для того чтобы снизить различия в яркостях, определяемые погодными условиями конкретного года, их значения ранжировались в процентах от среднего. Для доказательства чувствительности измерений яркости в каналах к изменению растительного покрова проведен статистический одномерный и многомерный анализ их связи с высотой, сомкнутостью
леса, общим запасом древесины и процентом участия в насаждениях ели и лиственных пород. Для преобразованных значений яркости для стартовой сцены 1986 г., как и одновременно для двух сцен, применялся метод беспороговой дихотомической классификации. Классы с близкими значениями яркости по двум сценам индицируют практически неизменные состояния, а изменения, его тип и масштаб фиксируются по знаку и масштабу различий яркостей в двух сроках. Также был применен метод множественной регрессии от значений каналов в марте 1986 г. к значениям в 2010 г. Изменения идентифицировались на основе классификации остатков от регрессии. Наиболее четкие и естественно интерпретируемые результаты получены на основе оценки изменений методом прямой разности. Другие методы дают сходные, но менее детализируемые результаты. В настоящем сообщении рассматриваются результаты, полученные методом разностей и методом совместной классификации двух сцен.
Представления о связи отражения, измеренного в разных спектральных каналах, с состояниями растительности, позволяют на качественном уровне определить характер и масштабы изменений за исследованный период. Полученные результаты представлены для основных состояний растительного покрова заповедника и охранной зоны в 1986 г.: хвойные леса, лиственные леса, молодые и редкостойные леса, болота и безлесные территории, включающие в себя селитьбы, луга и вырубки, существовавшие в 1986 г. Собственно болота выделены на основе классификации по изображениям в 2007 г., охватывающим все сезоны (сцены за февраль, а
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.