ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2013, № 5, с. 76-85
ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 630*58/64
ЭКОЛОГО-ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕСООБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ПО КОСМИЧЕСКИМ
СНИМКАМ
© 2013г. 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 09.01.2013 г.
Рассмотрены вопросы методологии исследования лесообразовательного процесса на основе сочетания биометрических параметров лесных экосистем, представленных в виде эколого-динами-ческих рядов данных лесоустройства, дополненных характеристиками изобразительных свойств космических снимков и условий рельефа местности. Результаты исследования показаны на примере двух модельных лесных массивов - зеленомошных ельников севера Костромской области и лиственничников Магаданской области. При помощи методов статистического анализа получены количественные оценки нелинейной связи возраста и процента участия лиственных пород в составе насаждений со спектральными характеристиками космических снимков.
Лесные экосистемы, лесные массивы, лесообразовательный процесс, породно-возрастная структура, стратификация лесных земель, эколого-динамические ряды, многозональный космический снимок, спектральные характеристики, морфометрические показатели рельефа.
В лесном фонде нередки крупномасштабные изменения под воздействием природных и антропогенных факторов среды. Среди них наиболее распространены последствия сплошных рубок леса и природных пожаров. Немало также таежных лесов, пострадавших от ураганных ветров, массового размножения вредителей и болезней леса, техногенных выбросов, подтопления и т.п.
Для того чтобы иметь представление о трансформации лесов из природных лесных экосистем в нарушенные, необходимо упомянуть важные отечественные работы последних лет, посвященные этой проблеме [7, 9]. По мнению авторитетных исследователей, на рубеже XXI в. лесной покров России почти повсеместно претерпел глубокие деструктивные изменения [14, 17]. Слежение за восстановлением нарушенных таежных лесов и их качеством - актуальная задача современного лесоведения и лесоводства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Лесообразовательный процесс (лесообразова-ние) рассматривается как совокупность явлений возникновения, развития, разрушения и смены
лесных насаждений в пределах одного типа ле-сорастительных условий. Из этого следует, что к одному типу или группе типов леса относятся не только не покрытые лесной растительностью земли в стадии зарастания и лесовосстановления, но и, помимо коренного, множество типов производных лесных биогеоценозов, отличающихся по породному составу древостоев, возрасту, генезису, сукцессионной динамике и т.д. [12]. Иными словами, индикаторами лесообразования являются различные признаки лесных экосистем, указывающие на изменение во времени их состава и структуры, которые с определенной достоверностью распознаются также на космических снимках, покрывающих значительные территории лесного фонда.
Хотя для каждого биогеоценоза может быть определено большое число разных признаков, наиболее важна оценка динамики породно-возрастной структуры лесных экосистем и сомкнутости полога (полноты) древостоев, которые доступны для измерения как в наземных условиях, так и по материалам космической съемки.
Эколого-динамическое исследование лесооб-разовательного процесса нарушенных лесных
массивов предусматривает совместную обработку космических изображений, характеристик условий рельефа местности и большого объема таксационных данных лесоустройства (лесоин-вентаризации), несмотря на критические замечания авторитетных исследователей по поводу их содержания [16]. Результаты многолетних исследовательских работ в этой области создают предпосылки для разработки методологии изучения лесообразовательного процесса в бореальных лесах по космическим снимкам, включающей выполнение следующих целевых этапов:
• выбор типичных лесных массивов в качестве модельных территорий, объединяющих нарушенные и ненарушенные лесные экосистемы различной сукцессионной динамики;
• стратификация лесных массивов по типам ле-сорастительных условий (типам или группам типов леса, типам условий местопроизрастания), по данным лесоустройства (лесоинвентаризации), их актуализация с помощью космических снимков;
• перегруппировка таксационных выделов лесоустройства в единые биогеоценозы всего возрастного спектра и формирование системы эколо-го-динамических рядов (ЭДР), характеризующих динамику породно-возрастной структуры лесных экосистем с учетом взаимосвязей таксационных показателей, морфометрических показателей рельефа и изобразительных свойств космических снимков;
• анализ информативности материалов дистанционных съемок при помощи статистической обработки ЭДР и создание обучающих выборок для автоматизированного дешифрирования космических снимков;
• классификация разновременных многозональных (мультиспектральных) космических снимков и оценка динамики породно-возрастной структуры лесных экосистем картографическими методами.
Лесные массивы - оптимальные для изучения лесов модельные территории. К ним относятся различные лесные (вырубки, погибшие насаждения и гари разной давности, редины, насаждения естественного и искусственного происхождения) и нелесные земли, ограниченные естественными или условными границами, устанавливаемыми в зависимости от экологического, экономического или социального назначения лесов. Кроме того, лесные массивы, занимающие значительные территории, позволяют исследовать ландшафтные и региональные особенности условий местопро-
израстания лесов при помощи цифровой модели рельефа (ЦМР). Важность использования ЦМР обусловлена ролью рельефа в формировании условий освещенности, увлажнения и температурного режима лесного ландшафта. При помощи ЦМР можно оценить влияние таких показателей рельефа территории, как высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склонов, на формирование пространственных особенностей (закономерностей) породно-возрастной структуры лесного массива и спектральные характеристики космического снимка. Для создания ЦМР возможно использовать как стереопары аэрокосмических снимков, так и топографические данные.
Стратификация - важный этап исследования, поскольку при этом выявляются региональные тенденции лесообразования, а построение ЭДР1 основано на распространенном представлении о том, что принадлежность лесов к однородным типам лесорастительных условий определяет одинаковый ход восстановления лесных экосистем от стадии зарастания нарушенных лесных земель и формирования молодняков до старовозрастных насаждений [10, 11]. На этапе стратификации лесных массивов проводится статистический анализ таксационных данных по различным биометрическим параметрам насаждений, так как он дает возможность оценить репрезентативность и надежность лесоустроительной информации. Например, детальный анализ процентного распределения площади насаждений с участием групп хвойных и лиственных пород деревьев позволил выявить завышение доли хвойных пород в составе при таксации молодняков лесных культур на местах бывших рубок [1, 18]. Материалы лесоустройства целесообразно использовать в качестве одного из источников данных при составлении тематических карт (типов леса, типов лесорасти-тельных условий, коренных и производных лесов, состава и влажности почв и др.), характеризующих тенденции лесообразовательного процесса и закономерности формирования коренных или производных древостоев в нарушенных лесах.
Многочисленные исследования информативности материалов дистанционных съемок указывают на наличие сопряженности между изобразительными свойствами космических снимков и динамическим состоянием лесного покрова нарушенных экосистем. Иными словами, дешифрирование показателей породно-возрастной структуры нарушенных лесных экосистем основано
1 ЭДР формируются в виде таблиц, столбцы которых содержат показатели, а каждая строка относится к одному лесному участку (таксационному выделу).
на использовании статистических связей между характеристиками космического изображения (признаками) и таксационными показателями насаждений. С этой целью в состав стратифицированных ЭДР включаются как биометрические параметры лесных экосистем, так и признаки космических изображений (спектральные, структурные, текстурные), дополненные, при необходимости, морфометрическими характеристиками рельефа. Расчет спектральных и морфометриче-ских показателей для формирования ЭДР производится в границах таксационных выделов базы данных модельной территории по многозональным космическим снимкам, ЦМР и поверхностям крутизны и экспозиции склонов программными средствами геоинформационной системы (ГИС). Спектральные показатели для каждого выдела включают в себя число пикселов снимка, попавших в границы выдела, минимальное, максимальное и среднее значения яркости и дисперсию в каждом зональном изображении, показатели рельефа - минимальное, максимальное, среднее значение и дисперсия для высоты над уровнем моря и крутизны склонов, усредненное значение для экспозиции склонов. Все полученные показатели объединяются в одну запись (строку) по уникальному идентификатору выдела.
Первоначально ЭДР формировались в виде электронных таблиц. С увеличением числа модельных территорий, а также различных видов съемок и объемов обрабатываемой информации возникает необходимость создания базы данных (БД). Вполне очевидно, что при большом объеме данных оптимален выбор многопользовательской системы управления базами данных (СУБД), построенной с использованием архитектуры "клиент/сервер". Такая СУБД позволяет пользователям через сетевой доступ вносить новые, дополнять и редактировать имеющиеся данные, формировать выборки и конвертировать их в пользовательские форматы для статистической обработки и картографического представления ЭДР.
Предполагается, что в основе структуры БД будут таблицы, содержащие основные характеристики таксации (инвентаризации), космической съемки, цифровой модели рельефа, связь между которыми организуется при помощи уникального идентификатора. К обязательным атрибутам Б
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.