ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2004, № 5, с. 66-80
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 630*528.9
АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГАРЕЙ
НА ОСТРОВЕ САХАЛИН
© 2004 г. В. И. Харук1, И. С. Щербинина1, О. Э. Якубайлик2, Э. Касишке3
1Институт леса им. ВН. Сукачева СО РАН 660036 Академгородок, Красноярск 2Институт вычислительного моделирования СО РАН 660036 Академгородок, Красноярск 3University of Maryland, College Park MD 20742, USA Поступила в редакцию 04.12.2003 г.
Лесные пожары, гари, орография, ГИС.
Сахалин - горная страна. Главные горные хребты ориентированы субмеридионально. Средняя высота гор 600-700 м (максимальная высота 1609 м). На севере острова расположена обширная Северо-Сахалинская низменность. Типичной особенностью климата является его муссонный характер. Осенне-летние осадки выпадают главным образом с июля по сентябрь, зимние - в феврале и марте. Устойчивый снежный покров наблюдается в течение приблизительно 200 дней в северной части и 150 дней на юге. Количество осадков в северной части острова (400 мм) вдвое меньше, чем в южной (870 мм). Погода сильно изменчива и зависит главным образом от направления ветра. В пожароопасные периоды сильные ветры способствуют быстрому распространению огня. Весна холодная, с поздними снегопадами и туманами, первая часть лета прохладная, вторая - дождливая. Осень относительно длинная и солнечная. Зимой нередки метели с обильными снегопадами. Зима длится около пяти месяцев на юго-западе и до семи на севере. Самый теплый месяц - август, наиболее холодный - январь. Среднегодовая температура -1.4°C на севере и +2.2°C на юге [5].
На территории острова можно выделить следующие подзоны: 1) лиственничных лесов (севернее 51°30' с.ш.); 2) темно-хвойных лесов с доминированием ели (между 51°30' и 48° с.ш.); 3) темнохвойных лесов с примесью широколиственных пород (к югу от 48° с.ш.).
Пространственная структура лесов усложнена из-за наличия вертикальной поясности и приморских зон. Горные хребты заняты преимущественно темнохвойными лесами. Основные лесообразующие породы - ель (Picea ajanensis), лиственница (Larix kurilensis), пихта (Abies sachalinensis) и береза (Betula alba, B. ermanii). Высокогорные леса представлены преимущественно кедровым стлаником (Pinus pumila). Этот вид представлен также на более равнинной северной части Сахалина, где входит в состав лиственничников либо формирует древостои. Общее число видов растений - 1313, включая 88 эндемиков [3, 11]. Лиственничные леса имеют среднюю полноту в южной и центральной и низкую в северной частях острова. Открытые прибрежные участки покрыты кустарником. В пониженных элементах рельефа, а местами на плоских водоразделах развиваются сфагновые болота с лиственничными редколесьями либо безлесые. Характерная черта растительности подзоны лиственничных лесов -широкое распространение частично облесенных олиготроф-ных болот [11]. На юге и в средней части острова преобладают глинисто-подзолистые почвы, в северной части - песча-но-подзолистые [2].
В лесах Сахалина высока вероятность пожаров: приблизительно на половине лесных территорий возможно возник-
новение пожара в течение 0.65-0.75 периода пожароопасно-сти. Субъективными факторами роста лесных пожаров являются труднодоступность территорий для пожарной техники (обилие марей и болот) и низкая обеспеченность лесхозов техникой. Пожары - главная причина ущерба лесов на острове, большинство из них - антропогенного происхождения. В 1945-1995 гг. было зарегистрировано около 4 тыс. лесных пожаров, уничтоживших до 20% лесного фонда [4]. Катастрофические лесные пожары 1989 и 1998 гг. были сконцентрированы главным образом в северной части острова. В сомкнутых древостоях и кедровом стланике наблюдаются верховые пожары; низовые пожары типичны для лиственничных редколесий, вырубок и гарей.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА
Анализ ландшафтной приуроченности гарей основан на материалах лесоустройства и дистанционного зондирования (снимки NOAA/AVHRR), топографических картах и данных наземных обследований. Снимки NOAA/AVHRR использовались для оценки площади гарей, вызванных пожарами
1989 и 1998 гг. Для определения площади гарей и лесов использовались карты лесоинвентаризации 1956, 1973 и
1990 гг. масштаба 1 : 2500000. Наиболее ранняя информация о контурах гарей и лесов была получена с топографической карты 1935 г. масштаба 1 : 500000; на этой карте представлены данные только для северной части острова (к северу от 50-й параллели), поскольку южная часть острова в то время принадлежала Японии. Основой для трехмерного анализа явилась цифровая карта масштаба 1 : 1000 000 (http://www.ngdc.noaa.gov/seg/topo/globeget.sht), представляющая матрицу значений высот с 30-секундным разрешением по широте и долготе. Наземные обследования были выполнены экспедицией Института леса СО РАН в 2000 г. в средней и северной частях острова; заложено 82 временных пробных площади. Для каждой пробной площади определены рельеф (высота, азимут, уклон), пройденность пожарами или рубками, тип растительного покрова, состав древостоя, средние диаметр и высота деревьев; описаны возобновление, кустарниковый ярус, напочвенный покров и тип почвы. Координаты центра каждого участка установлены с помощью прибора GPS "Garmin-12" с точностью ±15 м.
Территории гарей оцифрованы по картам 1935, 1956, 1973, 1990 гг. и карте, полученной в результате дешифрирования снимка NOAA/AVHRR (2000 г.). Для этой цели использовалось программное обеспечение GeoDraw для Windows [1] с последующим экспортом в формат шейп-файлов Arc-View. Так как исходные карты составлены в различных про-
А
100
80-
СЗ
ю 60
и 0
О
г2 = 0.98
о 1 □ 2 А 3
-0.5 100
^ 80 д
и
ей
В 60
о
ч
с «
¡3 40 а
ей £
£ 20
0
45
40
35
30
а, к 25
ю
и
В 20
О
15
10
5
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Логарифм площади гари, км2
3.0 1
2 3
200 400
600 800 1000 Площадь гари, км2
В
1200 1400 1600
1 2 о 3 а 4
о о
О о о о о
о о о о о _I_I_I_|_
10 20 30 40 50 60 70 Площадь гарей, %
80 90 100
0
Рис. 1. Оценка ошибок векторизации данных: А - зависимость ошибки векторизации от площади гари; Б - зависимость доли суммарной площади отсортированных полигонов от величины площади, не меньше которой они должны быть; В - зависимость среднеарифметической величины ошибки от доли суммарной площади отсортированных полигонов: 1 - 1935 г., 2 - 1956 г., 3 - 1973 г., 4 - 2000 г.
екциях, векторизованные слои с гарями были сначала преобразованы в географическую систему координат. Привязка растровых данных и окончательная сборка проекта осуществлялась в проекции Transverse Mercator (эллипсоид Красов-ского, центральный меридиан 141°, центральная параллель 53°). Анализ пространственных данных был выполнен в ГИС Arc View 3.1 с модулями расширения Arc View Spatial An alyst 1.1, ArcView 3D An alyst 1.0 и Grid P lus 1.0. В ходе этого анализа выполнялось преобразование слоев с изолиниями рельефа и территориями гарей в TIN-модель (триангуляция Делоне) и далее - построение растровой модели (GRID-тема) с разрешением 0.05 км. В результате стало возможным использовать аппарат картографической алгебры -построение покрытий с экспозицией и уклонами склонов, вычисление пересечений площадей различных покрытий и т.д. Для оценки зависимости распространения гарей от особенностей рельефа был проведен трехмерный анализ на основе цифровой карты масштаба 1 : 1000000. 30-секундное разрешение карты соответствует расстоянию между точками значений высоты для 54-й параллели (север) 546 м по широте и 928 м по долготе. Для 46-й параллели (юг) это составляет 646 м и 926 м, соответственно.
Были сформированы следующие слои: 1) точечный слой рельефа; 2) слой изолиний высот с шагом 50 м; 3) трехмерная модель рельефа; 4) точечный слой значений азимута; 5) точечный слой значений уклонов.
Азимуты рассчитаны со следующим шагом: север (338°-23°), северо-восток (23°-68°), восток (68°-113°), юго-восток (113°-158°), юг (158°-203°), юго-запад (203°-248°), запад (248°-293°) и северо-запад (293°-338°). Градации крутизны склона следующие: (0°-1°), (2°-5°), (6°-10°), (11°-15°), (16°-20°), (21°-25°), (26°-30°) и (30°-45°). Более высокие значения не рассматривались, поскольку предел произрастания лесов на склонах составляет приблизительно 40°. Данные для высоты рассчитывались с шагом 100 м. Поскольку вышеупомянутые категории элементов рельефа (т.е. территории с определенными азимутами, крутизной и высотой) на территории острова представлены неравномерно, то "прямой" анализ взаимосвязи между площадью гарей и элементами рельефа приведет к систематическим ошибкам. Во избежание этого применялась процедура нормирования данных. При этом значения площадей гарей для данной категории (интервалы крутизны, высоты, или азимута) были соотнесены со значением всей области (территории) этой категории в пределах острова. Например, нормировка гарей по азимуту проводилась с использованием коэффициента ka:
ka = Sa /Sa, где S^ - площадь гарей, ориентированных по данному азимуту, Sa - территория с данным азимутом для всего острова. Аналогичные нормирующие коэффициенты рассчитывались для крутизны склонов (ks) и высоты над уровнем моря (kh).
Важным методическим аспектом являлась оценка точности вычислений. Ошибка в определении местоположения, линейных размеров, площадей полигонов на цифровых картах и связанная с ней точность картографических вычислений складывается из нескольких составных частей [7, 8]:
1. Погрешность первоисточника - бумажной карты, используемой при оцифровке. Погрешность зависит от масштаба карты и определяется параметрами минимального по размерам объекта карты, например, толщиной линии. Принято считать, что точность отображения данных на бумажных картах составляет около 0.4 мм (приближенное значение толщины линии).
2. Погрешность векторизации. Она возникает в процессе создания цифровой модели и зависит от используемой компьютерной технологии. Вклад в эту погрешность вносят сканирование, методика оцифровки и математические операции преобразования данных. Использование современных сканеров с разрешением не менее 300 точек на дюйм, прикладных програм
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.