ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 5, с. 323-331
УДК 574.34+574.42+004.932.2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗУЧЕНИЮ ДИНАМИКИ ВЫСОКОГОРНОЙ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗНОВРЕМЕННЫХ ЛАНДШАФТНЫХ ФОТОСНИМКОВ (НА ПРИМЕРЕ ПОЛЯРНОГО УРАЛА) © 2015 г. В. В. Фомин*, А. П. Михайлович**, С. Г. Шиятов***
*Уральский государственный лесотехнический университет 620100Екатеринбург, Сибирский тракт, 37 e-mail: fomval@gmail.com **Уральский федеральный университет (УрФУ) 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19 e-mail: anna.mikhailovich@gmail.com ***Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 e-mail: stepan@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 22.01.2015 г.
Приведено описание методики анализа и представления повторных ландшафтных фотоснимков для оценки пространственно-временной динамики редкостойных древостоев, произрастающих в экотоне верхней границы древесной растительности на Полярном Урале (горный массив Рай-Из). Она направлена на решение следующих проблем использования повторных ландшафтных фотографий: формирование у исследователя целостного представления изучаемого пространства; получение дополнительных данных о местности, создание и пополнение текстовых описаний к ландшафтным снимкам, а также создание тематических карт или картосхем с использованием повторных ландшафтных фотоснимков.
Ключевые слова: повторные ландшафтные фотоснимки, экотон верхней границы древесной растительности, пространственно-временная динамика, условные знаки, картосхема, Полярный Урал.
DOI: 10.7868/S0367059715050091
Ландшафтные аналоговые фотоснимки и цифровые изображения — это вместительные и относительно дешевые хранилища большого объема информации (Dahdouh-Guebas, Koedam, 2008). Они являются объективным источником данных о местности и обладают высокой степенью наглядности. В последние годы повторные ландшафтные снимки достаточно широко используются в экологии и лесном хозяйстве для оценки изменений, которые происходят за определенный период времени на уровне ландшафтов, сообществ, популяций и организмов (Hall, 2001; Нестеров, Сарычев, 2006; Сарычев, 2006; Фомин и др., 2007, 2008а; Шиятов, 2009; Hendrick, Copenheadver, 2009; Webb, Boyer, Turner, 2010; Фомин, Михайлович, 2011).
Системное использование повторных ландшафтных фотоснимков в геологических и геоэкологических исследованиях началось в конце XIX—начале XX вв. (Hall, 2001; Сарычев, Несте-
ров, 2007). Анализ литературных данных позволяет утверждать, что популярность метода наземного фотомониторинга (МНФМ) при проведении экологических исследований неуклонно возрастает (Hall, 2001; Hendrick, Copenheadver, 2009; Webb et al., 2010). Однако он имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают его более широкое использование (Фомин и др., 20086; Фомин, Михайлович, 2013).
Один из них обусловлен особенностью представления информации об окружающем пространстве с помощью фотоснимков. На фотоснимке отображается только фрагмент ландшафта, который виден с точки фотосъемки в определенном направлении. Этот же участок местности на снимке, полученном из другой точки с другим направлением оптической оси фотоаппарата, может быть трудно узнаваем. Эта особенность наземных изображений не способствует формированию у исследователя целостного пред-
ставления об изучаемой территории, что препятствует получению им интегральных оценок изменений на всем исследуемом пространстве.
Данное ограничение усугубляется тем, что достаточно часто в качестве первичного материала на начальном этапе создания системы наземного фотомониторинга конкретного района исследований используются фотографии из архивов ученых, туристов и фотографов-любителей. Как правило, при фотографировании ландшафтов они не ставили задачу создать сеть наземного фотомониторинга, а фотосъемка рассматривалась как второстепенная задача. До недавнего времени эти недостатки усугублялись ограничениями на возможность получения большого количества аналоговых фотоснимков.
Трудности автоматизированного анализа ландшафтных снимков для получения количественных характеристик объектов обусловлены изменением масштаба в пределах снимка, большим разнообразием объектов и вариантов освещенности.
Обобщая все перечисленное выше, можно выделить несколько проблем при работе с ландшафтными снимками:
— формирование у исследователя (пользователя) целостного представления изучаемого района в виде серии взаимосвязанных ландшафтных снимков;
— получение дополнительных данных о местности, изображенной на фотоснимке, а также создание и пополнение текстовых описаний и аннотаций к ландшафтным снимкам;
— создание тематических карт или картосхем с использованием повторных ландшафтных фотоснимков;
— получение количественных характеристик снимков и объектов, отображенных на них, с использованием автоматизированных алгоритмов обработки и анализа изображений.
Цель настоящей работы — описание разработанного подхода к изучению динамики высокогорной древесной растительности с использованием разновременных ландшафтных фотоснимков для решения описанных выше проблем.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В данной работе были использованы повторные ландшафтные фотоснимки из архива С.Г. Шиятова, которые были сделаны за период времени с 1962 по 2004 г. на территории Полярно-уральского мониторингового полигона (горный массив Рай-Из, Полярный Урал, Россия). Подробная характеристика исследуемого участка местности описана ранее (Шиятов и др., 2005; Фомин, 2009). Объект исследований — редкостойные лиственничные древостои (Ьапх зШпеа
Ledeb.), произрастающие в экотоне верхней границы древесной растительности (ЭВГДР).
На рис. 1 приведены три пары повторных фотографий, сделанных с точек фотосъемки с номерами 54, 247 и 248. На этих изображениях можно видеть юго-восточный мезосклон горного массива Рай-Из в 1962, 1977 и 2004 гг. соответственно. Эти фотоснимки наглядно иллюстрируют проблему формирования у исследователя целостного представления изучаемого района по ландшафтным фотоснимкам. По этим снимкам трудно определить, что на них может быть отображен один и тот же участок местности. Картосхема, приведенная на рис. 2, позволяет разобраться с местоположением точек и направлением фотосъемки. На данном рисунке участки местности, отображенные на снимках, представлены в виде секторов с областями видимости. Ниже приведено описание методики их создания.
С использованием цифровой модели рельефа района исследований в ГИС ARC/INFO и Arc-View GIS (ESRI Inc., США) для каждого фотоснимка были созданы векторные полигональные слои — секторы. В каждом секторе две его границы соответствуют правой и левой сторонам изображения (прямые линии идут от точки фотосъемки), а третья линия — граница района исследований.
С использованием цифровой модели рельефа и функций анализа видимости в ГИС ARC/INFO были рассчитаны растровые слои с областями видимости участков местности из точек фотосъемки. С помощью этих растров и секторов, созданных на предыдущем этапе работ, были получены полигональные слои с областями видимости в пределах каждого сектора. Участки, которые находятся на большом расстоянии от точки фотосъемки и на которых невозможно различить древесную растительность, были удалены из полигональных слоев. Таким образом, каждой паре фотографий, сделанных с одной и той же точки фотосъемки, с одним и тем же направлением оптической оси фотоаппарата, ставился в соответствие полигональный слой — сектор видимости.
При проведении наземного фотомониторинга фотографирование ландшафтов с использованием фотоаппаратуры с различными характеристиками — типичная ситуация. Это означает, что размеры областей, отображаемых на снимках, будут отличаться. Различие может выражаться, например, в величине угла секторов видимости для каждого снимка, в вершине которого находится точка фотосъемки. Если величина этого расхождения незначительна, то ею можно пренебречь, и повторные фотографии представлять одним сектором видимости большего размера. Если отличия значительны, то существует возможность обрезать часть снимка с большей шириной. Однако, на наш взгляд, следует стараться избегать данной
Рис. 1. Горный массив Рай-Из и прилегающая к нему территория:
а, б — юго-восточный мезосклон массива Рай-Из в 1962 и 2004 гг. соответственно (снимки сделаны с точки фотосъемки номер 54); вид на нижнюю часть с. в 1960 (в) и 2004 гг. (г)юго-восточного мезосклона массива Рай-Из с точки фотосъемки № 247 в юго-восточном направлении в 1977 (д) и 2004 гг. (е); вид с юго-восточного мезосклона массива Рай-Из в юго-западном направлении с точки № 248.
процедуры, так как в этом случае безвозвратно могут быть потеряны данные на обрезаемой части снимка.
Соотнесение объекта на изображении и его местоположения на карте достаточно трудоемкий процесс. Облегчить его помогает разбиение области фотоснимка вертикальными линиями с заданным шагом. В данной работе был выбран шаг, равный 10% от ширины большего снимка. Вертикальным линиям на фотоснимке соответствуют лучи, исходящие из точки фотосъемки и разбива-
ющие сектор видимости на более мелкие секторы. Шаг между лучами — 10% от величины угла сектора.
Источником дополнительных данных, которые могут быть использованы при проведении сравнительного анализа фотоснимков и составления текстовых описаний, являются геоинформационные слои, которые получены в результате применения функций и моделей географических информационных систем. В данном исследовании были использованы следующие функции и
1 км н
N N
Рис. 2. Секторы с областями видимости с точек фотосъемки № 54, 247 и 248.
модели ГИС ARC/INFO: расчет величины крутизны склона, экспозиция склона, буферное расстояние для создания слоя с концентрическими областями заданного расстояния от точки фотосъемки; модель расчета топографического индекса влажности (Evans, 2003).
В качестве исходных данных для анализа, моделирования и визуального анализа были взяты следующие геоинформационные слои: цифровая модель рельефа (растровый слой с пространственным разрешением 10 м); векторные слои с точками фотосъемки, векторный линейный слой с изолиниями высот; векторный точечны
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.