научная статья по теме ДИНАМИКА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ПОРОДНО-ВОЗРАСТНОЙ СТРУКТУРЫ ГРУПП ТИПОВ ЛЕСА НА КОСМИЧЕСКИХ СНИМКАХ LANDSAT Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ПОРОДНО-ВОЗРАСТНОЙ СТРУКТУРЫ ГРУПП ТИПОВ ЛЕСА НА КОСМИЧЕСКИХ СНИМКАХ LANDSAT»

ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2014, № 5, с. 3-12

_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _

СТАТЬИ

УДК 630*58/64

ДИНАМИКА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ПОРОДНО-ВОЗРАСТНОЙ СТРУКТУРЫ ГРУПП ТИПОВ ЛЕСА НА КОСМИЧЕСКИХ СНИМКАХ LANDSAT1

© 2014 г. В. М. Жирин, С. В. Князева, С. П. Эйдлина

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН 117799 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32 E-mail: vmzh@smtp.ru Поступила в редакцию 22.11.2013 г.

В статье представлены результаты исследования взаимосвязи между спектральными характеристиками многозонального космического снимка Landsat 5/ТМ и породно-возрастной структурой лесных экосистем. Параметры, влияющие на изменчивость спектральной яркости изображения лесных экосистем на космических снимках, описаны на примере насаждений зеленомошной, разнотравной, крупнотравной и сфагновой групп типов леса Приангарского таежного района Восточной Сибири. На основе эколого-динамического анализа насаждений, произрастающих в одинаковых лесорастительных условиях, выявлены тренды динамики спектральной яркости для групп типов леса в зависимости от возраста и доли участия хвойных пород в составе насаждений.

Группы типов леса, процесс лесообразования, породно-возрастная структура, эколого-динами-ческие ряды, спектральная яркость, многозональные космические снимки, возрастная динамика, доля участия хвойных пород в составе насаждений.

Многозональные космические снимки относительно высокого пространственного разрешения, полученные со спутников Landsat 4, 5, 7, а в настоящее время - и с Landsat 8, запущенного на орбиту в феврале 2013 г., широко используются для получения информации о состоянии и динамики лесов [1, 6-8, 9, 11-15, 17]. Особенно актуально их применение в целях дистанционной оценки процесса лесообразования в нарушенных таежных лесах, занимающих большие площади, что является предметом исследований коллектива авторов на протяжении ряда лет [2-5]. Эколого-динамический подход к изучению лесообразо-вательного процесса предполагает объединение лесных и безлесных участков, коренных и производных лесов в группу типов леса, характеризующуюся однородностью по климатическим и эдафическим факторам, и позволяет получить представление об экологическом потенциале территории и тенденции лесообразования после нарушения лесного покрова. В одинаковых лесо-растительных условиях восстановление таежных лесов происходит либо без смены, либо со сме-

1 Работа выполнена при поддержке Программы фундаментальных исследований президиума РАН "Живая природа: современное состояние и проблемы развития", подпрограммы «Динамика лесных экосистем» на 2012-2014 гг.

ной древесных пород в группе сложных типов леса, то есть первоначально путем формирования производных лиственных насаждений и затем восстановления на их месте хвойно-лиственных древостоев в течение 200 и более лет [9, 10]. В процессе лесообразования изменяются признаки строения лесных экосистем (породно-возрастная структура, сомкнутость полога и др.), которые с определенной достоверностью распознаются на космических многозональных снимках [1, 11, 12, 14, 16-18].

В статье рассматривается традиционная для тематики лесного дешифрирования связь изобразительных свойств космических снимков с возрастной динамикой хвойно-лиственных и лиственно-хвойных насаждений, которая основывается на особенностях спектральной отражательной способности хвойных и лиственных пород. Основная цель исследования состояла в изучении динамики спектральных характеристик насаждений в разных группах типов леса, на протяжении всего возрастного спектра - от начального этапа развития леса до возраста 200-250 лет - и оценке влияния параметров породно-возрастной структуры на формирование интегральной спектральной яркости космического изображения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для исследования выбран лесной массив площадью около 100 тыс. га, расположенный на северо-западе Приангарского плато (Красноярский край). Рельеф местности слабо возвышенный, расчлененный, диапазон высот составляет от 140 до 460 м. Территория входит в подзону южной тайги Западно-Сибирской провинции с преобладанием темнохвойных лесов. В пределах исследуемого участка представлены зеленомошная, разнотравная, крупнотравная и сфагновая группы типов леса. Древесная растительность отличается большим разнообразием, основными лесообра-зующими породами являются пихта, сосна, ель, кедр, лиственница, береза и осина. Насаждения в основном имеют смешанный породный состав и образуют темнохвойные (из ели, пихты, кедра), светлохвойные (из сосны, лиственницы) и по-слерубочные производные (из березы и осины с участием сосны и лиственницы) леса.

Исследование динамики спектральной яркости изображения породно-возрастной структуры лесных экосистем на космическом снимке проводится на основе эколого-динамического анализа лесных насаждений, произрастающих в одинаковых лесорастительных условиях. С этой целью в однородные группы объединяются серии типов леса коренных и производных насаждений различного породного состава древостоев, возраста, генезиса, сукцессионной динамики, а также не покрытые лесной растительностью земли в стадии зарастания и лесовосстановления. В результате такой биогеоценотической стратификации таксационные выделы, организованные при лесоустройстве по хозяйственным признакам, группируются заново в единые биогеоценозы всего возрастного спектра, образуя эколого-динамиче-ские ряды (ЭДР)[4, 5].

Основой для ЭДР является база данных (БД) модельной территории. В ее состав входят таблицы, содержащие данные лесоустройства (1992г.), космических снимков и рельефа, а также справочная информация, раскрывающая содержание таблиц, связь между которыми организуется при помощи уникального идентификатора. В качестве программной оболочки БД выбрана многопользовательская система управления MySQL, обеспечивающая через сетевой доступ возможность дополнять и редактировать данные, формировать выборки и конвертировать их в различные форматы для статистической обработки и картографического представления.

В качестве исходных съемочных материалов для получения спектральных характеристик лес-

ных экосистем использованы многозональные космические снимки относительно высокого пространственного разрешения Landsat 5/ТМ, полученные в летний (16.06.1989) и ранневесен-ний (03.04.1991) периоды. Космический снимок Landsat 5/ТМ, полученный в начале апреля 1991 года, ввиду близости по дате съемки ко времени проведения лесоустроительных работ, применён для актуализации данных, полученных за три года до лесоустройства.

На основе векторных слоев топографической карты масштаба 1:100 000 создана цифровая модель рельефа (ЦМР), послужившая основой для определения характеристик рельефа модельной территории. Размер ячейки растра ЦМР выбран равным размеру пиксела снимка Landsat 5/TM -30 м. При помощи ЦМР автоматически рассчитаны морфометрические поверхности углов наклона (крутизны) и экспозиции склонов в градусах и интерактивно выделены пять типов морфографиче-ских показателей рельефа местности: водораздел (плато), верхняя часть склона, средняя часть склона, нижняя часть склона и пойменные участки.

Расчет показателей, включенных в ЭДР, проводился в границах таксационных выделов БД модельной территории по космическому снимку Landsat 5/ТМ (16.06.1989), ЦМР и производным слоям морфометрических (крутизна и экспозиция склонов) и морфографических (формы рельефа) характеристик программными средствами ArcGIS и ScanEx Image Processor. Показатели, описывающие лесорастительные условия и основные биометрические параметры насаждений, содержат категорию земель, группу типов леса, тип леса, тип и влажность почв, породный состав насаждений, возраст, высоту, диаметр ствола, полноту, бонитет, запас преобладающий породы на единицу площади (1 га). Спектральные показатели представлены следующими данными: число пикселов снимка, попавших в границы выдела, минимальное, максимальное и среднее значения яркости и стандартное отклонение в спектральных каналах съемки - голубом (B), зеленом (G), красном (R), ближнем (NIR) и среднем (SWIR) инфракрасном. Показатели рельефа (морфомет-рические и морфографические) включают минимальное, максимальное, среднее значение и стандартные отклонения для высоты над уровнем моря и крутизны склонов, среднее значение для экспозиции склонов и форм рельефа.

Статистическая обработка и анализ ЭДР выполнены в среде программного пакета Statistica 6.1 с применением методов расчета стандартных статистик и аппроксимирующих функций по методу наименьших квадратов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сформированные на основе базы данных эко-лого-динамические ряды характеризуют изменения породно-возрастной структуры насаждений разных групп типов леса.

Группы типов леса представлены разным числом таксационных выделов: в зеленомошной группе - 1154, разнотравной - 1991, крупнотравной - 391 и сфагновой - 79. Насаждения первых трех групп типов леса произрастают повсеместно на склонах разных экспозиций на высоте от 150 до 450 м. Насаждения сфагновой группы отсутствуют на склонах юго-восточной, южной и юго-западной экспозиции, их местоположение оптимально на западных склонах в диапазоне высот 170-270 м. Большинство древостоев произрастает на пологих склонах (до 5°). На рис. 1 показана приуроченность насаждений разных групп типов леса к определенным формам рельефа.

На водоразделах, в верхних и средних частях склонов, где преобладают свежие почвы, более всего представлены разнотравная и крупнотравная группы типов леса. На влажных почвах нижних частей склонов и пойменных участках возрастает встречаемость зеленомошной и сфагновой групп.

От местоположения в рельефе зависит распределение типов почв и их влажность, которые определяют интенсивность роста и производительность древесной растительности, а также уровень современного лесопользования. На рис. 2А показаны особенности хода роста древостоев в высоту на примере различных групп типов темнохвойных лесов, полученные при обработке ЭДР.

Водоразделы Верхняя Средняя

(плато) часть склонов часть склонов часть склонов участки

Ш 1 н

ттЦЦ ттГ-1 "Формы рельефа

Нижняя Поименные г г ^

га<

ПП 3 □ 4

Рис. 1. Положе

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