ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2012, № 5, с. 64-74
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОМКНУТОСТИ КРОН РЕДКОСТОЙНЫХ ЛИСТВЕННИЧНИКОВ ТАЙМЫРА ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ
РАЗНОГО РАЗРЕШЕНИЯ © 2012 г. А. Ю. Тюкавина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва E-mail: sashatyu@gmail.com Поступила в редакцию 10.10.2011 г.
По результатам экспедиционных исследований на участке Ары-Мас Таймырского заповедника в рамках международного научного проекта PPS Arctic изучены особенности изображения разреженных лиственничников разной сомкнутости на снимках субметрового и тридцатиметрового пространственного разрешения. По снимкам разного разрешения составлены карты сомкнутости древостоев. Рекомендована методика построения карт сомкнутости древостоев по космическим снимкам с разрешением в десятки метров с использованием детальных полевых схем, снимков субметрового разрешения и зимних снимков.
Ключевые слова: лиственничники лесотундры, кроны деревьев, сомкнутость древостоев, Ikonos, Landsat, участок Ары-Мас, Таймыр
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в связи с повышенным вниманием к проблемам изменения климата активно ведется изучение природных экотонов — переходных зон, обладающих большой неустойчивостью и динамичностью (Бобра, 2006). Лесотундровая зона, представляющая собой экотон "тундра—тайга", занимает обширные территории севера России и активно вовлекается в хозяйственное использование, что вызывает интерес к процессам, происходящим на границе леса и тундры. Изучению северной границы лесов посвящен международный научный проект PPS Arctic, в рамках которого выполнено данное исследование.
Крайние северные леса в силу своего географического положения слабо доступны для непосредственного исследования, поэтому важную роль в их изучении должны играть материалы дистанционного зондирования (ДЗ). Космические снимки (КС) субметрового пространственного разрешения, на которых в редколесьях различимы отдельные деревья, имеют локальный охват, тогда как менее детальные снимки, с разрешением в десятки метров, в силу большего территориального покрытия позволяют изучать обширные территории. В связи с этим актуальной является разработка методики обоснованного перехода от детальных к более обзорным дистанционным данным, с минимальной потерей достоверности,
присущей "наземной правде" и КС сверхвысокого пространственного разрешения.
В последнее время вопросам изучения и картографирования притундровых лесов по данным ДЗ посвящен ряд исследований как на континентальном уровне (Rees et al., 2008), так и на уровне отдельных регионов: Кольского п-ва (Кравцова, Лошкарева, 2010; Михеева, 2010; Тутубалина, Но-вичихин, 2010), Урала (Шиятов, Мазепа, 2007; Марущак, Елсаков, 2010), Западного Саяна (Ха-рук и др., 2008), гор северо-востока Китая (Zhang et al., 2009). В частности, в работах, посвященных лиственничникам Таймыра, сделаны попытки оценки сомкнутости и полноты древостоев на основе исследования сочетания освещенных и затененных участков крон деревьев на снимках сверхвысокого разрешения (Новичихин, Тутубалина, 2010), исследована возможность определения границы тундра-тайга с использованием данных ДЗ, полученных сенсорами с пространственным разрешением 25—500 м (Ranson et al., 2004), изучена тридцатилетняя динамика сомкнутости древостоев по снимкам MSS и ETM+ спутника Landsat и материалам лесной таксации (Харук и др., 2006).
ИССЛЕДУЕМЫЙ РЕГИОН
Участок Ары-Мас Таймырского заповедника находится в южной части Северо-Сибирской низменности, на правом берегу р. Новой (приток р. Хатанга), и представляет собой самый север-
ный в мире лесной остров (72.5° с.ш.), расположенный в окружении тундр, относящихся к южной арктической подзоне. Единственной древесной породой в пределах урочища является лиственница Гмелина, формирующая монодоминантные редкостойные леса и редины (Ары-Мас..., 1978). Сомкнутость редкостойных лиственничных лесов не превышает 0.3—0.4, высота деревьев составляет порядка 4—6 м. Кустарниковый ярус в этих лиственничниках развит слабо: в районе урочища Ары-Мас густой подлесок из кустарниковых форм ольхи, ивы и карликовой березки встречается лишь местами, преимущественно по долинам рек и ручьев. Тундровая растительность, формирующая напочвенный покров лесотундровой зоны, в данном районе носит на-номозаичный характер, мозаичность выражена лишь на уровне кочка—межкочечное понижение, отсутствует чередование крупных "пятен" разнотипной тундровой растительности.
Растительность массива Ары-Мас изучена достаточно хорошо, исследования здесь ведутся с конца 1960-х годов (Норин и др., 1971). В связи с тем, что редкостойные лиственничные леса и редколесья характерны для среднесибирской (котуй-ско-ленской) и восточносибирской (индигиро-колымской) лесотундры в целом, лесной массив Ары-Мас, несмотря на уникальность своего географического положения, может быть взят в качестве эталонной территории для изучения лесотундровой зоны Таймыра.
ПОЛЕВЫЕ ДАННЫЕ
Использованные в работе полевые данные получены в июле 2010 г. в ходе экспедиционных исследований по проекту PPS Arctic на участке Ары-Мас Таймырского заповедника. Комплексные исследования (геоботанические, почвенные, мерзлотные, дендрохронологические, спектрометрические) выполнялись по профилю, заложенному на правобережье р. Новой, а также на шести пробных площадках (рис. 1). Пробные площадки для детального изучения различных типов растительного покрова были заложены в редкостойном лиственничном лесу (50 х 50 м), лиственничной редине (50 х 20 м) и в тундре (10 х 10 и 20 х 20 м). На каждой из пробных площадок по квадратам 5 х 5 или 10 х 10 м выполнены детальные геоботанические описания, в М 1 : 100 составлены схемы древесного и кустарникового яруса (рис. 2). Для каждого дерева на схеме отмечено положение ствола и зарисована крона по четырем румбам, указано состояние дерева (здоровое, поврежденное, мертвое), измерены высота и диаметр. Кроме того, на полевых схемах древесного яруса отмечены все
единицы лиственничного подроста с указанием высоты и линейного прироста.
ДАННЫЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Для определения сомкнутости крон лиственничников в настоящем исследовании использованы КС разного пространственного разрешения: субметрового (1копо8, разрешение после слияния спектральных каналов с панхроматическим — 0.83 м) и тридцатиметрового (Ьапё8а1 ЕТМ+). Оба снимка получены в один день, 17.07.2002 г. Дата съемок приходится на вторую половину июля, что гарантирует отсутствие снежного покрова на большей части территории (в это время возможно лишь наличие небольших снежников в тыловых швах склонов северной экспозиции и днищах малых эрозионных форм рельефа) и оптимальную для дешифрирования растительности вегетационную фазу (пик вегетации приходится на конец июля—начало августа). Помимо летних, в работе использован ранневесен-ний снимок Ьапё8а1 ЕТМ+ (25.04.2001 г.), наличие снежного покрова на котором дает определенные преимущества при выделении границ распространения лесной растительности.
РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Определение сомкнутости древостоев по снимку Шоиоз
На снимке 1копо8 субметрового пространственного разрешения различимы отдельные деревья и их тени. При сравнении изображения деревьев на снимке и полевых схем древесного яруса на территорию пробных площадок отмечено, что одна тень на снимке может соответствовать как отдельно стоящему дереву, так и группе деревьев. Это связано с тем, что большинство деревьев в данном районе произрастают биогруппами, а не поодиночке. Таким образом, невозможно лишь по снимку, без наземных наблюдений, достоверно установить количество деревьев на определенной площади. Кроны лиственниц маломощны, по снимку визуально плохо отделяются от ярких пикселов, соответствующих напочвенному покрову или подросту. Поэтому дешифрировать деревья по прямым яркостным признакам с достаточной уверенностью не удается. В то же время на снимке четко отображаются падающие тени деревьев, вытянутые в противосолнечном направлении и имеющие яркость существенно ниже освещенного напочвенного покрова.
Рис. 1. Географическое положение участка исследований: А0000—А2550 — комплексный профиль, РР1—РР6 — пробные площадки.
По хорошо выделяющимся на снимке теням деревьев можно оценить сомкнутость крон разреженных лиственничников. Для этого необходимо знать соотношение между реальной сомкнутостью крон и площадью теней на снимке (рис. 3). Следует отметить, что определение сомкнутости крон по их теням достоверно лишь в том случае, когда длина тени отдельной биогруппы деревьев меньше среднего расстояния между соседними
биогруппами. При оценке сомкнутости древостоев по снимку Ikonos за реальную сомкнутость крон была принята доля площади (в %) четырехугольников, изображающих кроны на полевых схемах древесного яруса, от площади пробной площадки. Изображение крон деревьев, имеющих сложную, неправильную форму в плане, четырехугольниками носит большую долю условности. Чтобы свести к минимуму ошибку, возника-
* 7% ▼ * Т
<• \
¡> 0 1 м | |
• 7 2X3 4 т 5 * б * 7 ^8 X 9 10
Рис. 2. Фрагмент схемы древесного яруса редколесной пробной площадки РР5. Стволы лиственницы: 1 — здоровой, 2 — поврежденной, 3 — мертвой; кроны лиственницы: 4 — здоровой, 5 — поврежденной; подрост лиственницы, высотой (см): 6 — менее 15, 7 — 15—50, 8 — 50—200; 9 — пни; 10 — лиственничный стланик.
ющую вследствие аппроксимации формы кроны четырехугольником, измерения размаха крон в пределах каждой пробной площадки выполнялись однообразно, в направлениях, соответствующих ориентировке площадки. Кроме того, в изображении крон на схемах не учитывается
ажурность крон, уменьшающая их проективное покрытие. Поэтому можно считать, что сомкнутость лиственничных крон на схемах древесного яруса немного завышена по сравнению с реальной. Более точные полевые оценки сомкнутости крон можно было бы получить путем наземного
Рис. 3. Кроны лиственниц по данным полевой схемы древесного яруса площадки РР2 и тени деревьев со снимка !копсв (17.07.2002).
фотографирования вертикально вверх
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.