научная статья по теме ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА СТРУКТУРУ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УЧЕБНО-ОПЫТНОГО ЛЕСХОЗА Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА СТРУКТУРУ И ПРОДУКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УЧЕБНО-ОПЫТНОГО ЛЕСХОЗА»

_ ОРИГИНАЛЬНЫЕ _

СТАТЬИ

УДК 630*577.4

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА СТРУКТУРУ И ПРОДУКТИВНОСТЬ

ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УЧЕБНО-ОПЫТНОГО ЛЕСХОЗА*

* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1248.

© 2014 г. А. С. Алексеев, А. А. Никифоров

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет, 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5 E-mail: a_s_alekseev@mail.ru, alex_nikiforov@mail.ru Поступила в редакцию 13.09.2013 г.

На примере участков лесного фонда, расположенных на территории Лисинского учебно-опытного лесхоза Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (СПбГЛТУ), изучено влияние формы поверхности рельефа на структуру и продуктивность лесного растительного покрова. На основе 3Б-модели рельефа изучаемой поверхности и ГИС, созданной в среде MAPINFO PROFESSIONAL 6.0, выделены 4 территориальные единицы, различающиеся по абсолютной высоте. Ландшафтная интерпретация территориальных единиц проведена на основе совместного анализа топографической, геологической, геохимической и лесоустроительной информации средствами ГИС. Показано, что на основе рассмотренных территориальных единиц естественным образом выделяются соответствующие им ландшафтные местности. Установлены зависимости структуры и продуктивности лесов, принадлежащих разным ландшафтным местностям, создана их цифровая карта, позволяющая однозначно установить границы местностей в природе. Предложены направления практического использования результатов проведенных исследований.

Рельеф, ландшафт, ГИС, 30-модель, морфометрия, категория земель, тип леса, бонитет, основная лесообразующая порода.

В настоящее время в ландшафтной экологии считается общепризнанным значительное, а во многих случаях и определяющее влияние рельефа на структуру и продуктивность лесного растительного покрова [4, 5, 9-13, 35, 36]. Рельеф местности представляет собой постоянно действующий косвенный экологический фактор, в значительной мере детерминирующий энерго-массообмен в лесных экосистемах [3, 16, 18, 21, 28] и, таким образом, характеристики их растительного компонента.

Географические информационные системы (ГИС), получившие широкое развитие в последние годы, вместе со ставшими доступными средствами спутниковой навигации позволяют существенно повысить глубину, объективность и достоверность изучения свойств земной поверхности в целом и лесов как типичных ресурсов поверхностного распространения, в частности [3,

15, 23, 27]. Возможности, предоставляемые этими информационными технологиями, заключаются, во-первых, в точном определении и фиксации положения изучаемых объектов на земной поверхности в трехмерном пространстве, во-вторых, в доступности использования разномасштабных информационных материалов, созданных в разное время, различными организациями для решения своих задач, в-третьих, в доступности аналитических средств. Изучение влияния характеристик рельефа на древесную растительность во многом облегчается в случае применения ГИС-техноло-гий, позволяющих в одной системе накапливать, обрабатывать, анализировать и визуализировать информацию о свойствах и характеристиках изучаемых природных территорий. Для изучения рельефа особенное значение имеют возможности трехмерного описания и моделирования его поверхности на основе данных топографических карт (3Б-моделирование) [2, 20, 29, 30, 32-34].

Современные ГИС обладают специальными модулями, которые позволяют решать эту задачу.

В настоящей статье на примере территории лесного фонда Лисинского учебно-опытного лесхоза СПбГЛТУ, предпринята попытка решить средствами ГИС и SD-моделирования поверхности рельефа следующую задачу: построить SD-модель рельефа, на основе ее анализа выделить территориальные единицы (местности), различающиеся положением в рельефе по высоте над уровнем моря, проверить объективность такого выделения путем выявления наличия и достоверности различий между территориальными единицами по представленности в них различных геологических пород, структуре и продуктивности лесного растительного покрова.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКА

Объектом исследования являются территориальные природные комплексы Лисинского учебно-опытного лесхоза СПбГЛТУ [7, 14]. С точки зрения изучения влияния рельефа на структуру и продуктивность лесного растительного покрова этот объект представляет определенный интерес, так как перепады высот здесь не превышают S0-40 м. Поэтому в случае обнаружения сильного влияния рельефа на лесную растительность на территории этого объекта исследований можно ожидать еще более значительного его влияния на других территориях, с более выраженным рельефом местности.

Методика исследования основана на создании многослойной специализированной ГИС на территорию Лисинского лесхоза в составе информационных слоев, описывающих рельеф местности, гидрографию, горные породы, таксационные характеристики лесного фонда [14]. ГИС создана в среде Mapinfo Professional 6.0 на основе данных лесоустройства о характеристиках лесного фонда, топографической карты масштаба 1: 100 000, карты геологических пород [8].

Картографические материалы c различной тематической нагрузкой были отсканированы по отдельным листам формата AS. Сканирование выполнялось на сканере Mustek ScanExpress с разрешающей способностью 400 точек на дюйм. В дальнейшем отсканированные листы были "сшиты" с применением системы Adobe Photoshop 7.0. Полученные растровые основы зарегистрированы с использованием проекции "широта/долгота". Координаты для регистрации изображений получены с помощью прибора спутниковой навигации глобальной системы позиционирования GPS. Ко-

Рис. 1. ЗБ-модель поверхности рельефа территории Лисинского лесхоза.

ординаты были проверены и дополнены во время полевых исследований рассматриваемой территории в августе 2004 г. и удовлетворяют требуемой точности.

Векторизация картографических материалов осуществлялась вручную в среде Mapinfo Professional 6.0. В результате были созданы цифровые планы лесонасаждений, состоящие из следующих слоев: границы лесхоза, дач и лесничеств, квартальная сеть, слой лесотаксацион-ных выделов, слой дорожной сети, гидрография и населенные пункты. В двух векторных слоях созданы план территории лесхоза в горизонталях и карта геологических пород. Тематическая нагрузка использованных картографических материалов после тщательной проверки была присоединена к соответствующим информационным слоям.

SD-поверхность рельефа территории лесхоза создана методом TIN (Triangulation with smoothing) (Рис. 1) при помощи программного модуля VerticalMapper. Полученная SD-модель поверхности рельефа позволяет визуально оценить характер рельефа местности, а также при помощи модуля VerticalMapper построить продольные графики поверхности рельефа, рассчитать точки обзора, зоны видимости, экспозиции склонов, выполнить расчеты по заданным параметрам, составляя логические выражения.

Выборка необходимой для анализа тематической информации из базы данных производилась встроенными средствами MapInfo Professional 6.0 и с помощью языка MapBasic. Обработка выборок осуществлялась с помощью пакетов прикладных программ Statistica, Statgraphics, Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Визуальный анализ 3Б-модели поверхности рельефа лесхоза показывает наличие четырех территориальных единиц в составе его территории, по площади соответствующих рангу ландшафтных местностей и различающихся высотой над уровнем моря с шагом 10 м.

Наличие этих четырех территориальных единиц подтверждается также результатами анализа профилей высот в направлениях "север-юг" и "запад-восток", выполненных с помощью модуля VerticalMapper. Выделенные в результате анализа 3Б-модели рельефа территориальные единицы оцифрованы, в качестве их границ взяты границы соответствующих таксационных выделов, расположенные на минимальном расстоянии от места положения высотной разности. Карта-схема территориальных единиц приведена на рис. 2.

На основе рассмотренных территориальных единиц естественным образом выделяются соответствующие им ландшафтные местности. Правомерность такого выделения анализировалась с помощью их совмещения с картой представленности

Рис. 2. Территориальные единицы Лисинского лесхоза, выделенные на основе анализа 3Б-модели поверхности рельефа.

Рис. 3. Геологическая карта горных пород Б.Ф. Землякова. (1 - валунный суглинок; 2 - валунный песок; 3 - ленточные глины; 4 - безвалунный суглинок; 5 - песок полевошпатовый ледниковый; 6 - аллювиальные отложения; 7 - торф; 8 -песок полевошпатовый озерный).

горных пород Б.Ф. Землякова (рис.3) и соответствующей лесоустроительной информацией.

Результаты совмещения показаны на рис. 4.

Анализ карты представленности горных пород показывает, что три из них - валунные суглинки, ленточные глины и торф - занимают наибольшую часть площади лесхоза и закономерно различаются по представленности в четырех выделенных территориальных единицах.

Таким образом, с увеличением высоты над уровнем моря закономерно сокращается площадь ленточных глин (с 89 до 0%), растет представленность валунных суглинков (с 2 до 57%) и торфа (с 3 до 27%). Также с увеличением высоты над уровнем моря растет представленность песков (валунных с 0.2 до 10% и озерных с 0 до 5%) и убывает площадь аллювиальных отложений (с 5 до 0%).

Проанализируем распределение площади лесхоза по категориям земель в зависимости от при-

У = 18.939Х-4.49 г2 = 0.7167

п к 2 = в |

е Й

яй

о с § я

1° «I I

II

«1 §

40200-

12 3

Территориальная единица

В

У = 1.317Х-1.68 - г2 = 0.7376

2 3

Территориальная единица

д

У — -94 44*-+ 105.31

1 Ч. г2 = 0.8691

1 \..........................................

1 1

1 1 I Г I

12 3 4

Территориальная единица

II 18

о «

1210 84 6

420

У= 3.305Х-3.18 г2 = 0.9928

. 11

25-

й 20

о Ю-

г 4-

и

о ! и!

Территориальная единица Г

У = 7.364Х- 3.49 г2 = 0.9443

Территориальная единица

У= -1.633Х+ 5.88

■ г2 = 0.8763

■ \ .............................................

1 .....\...........................

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