VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Инвентаризация лесного покрова на больших территориях с помощью обычных методов (сбор данных на трансектах, картографирование с помощью наземных методов) сопряжена с большими трудностями, в первую очередь экономическими. Поэтому возникает необходимость метода мониторинга лесного покрова на больших территориях, с меньшими экономическими затратами. В данном случае, особый интерес представляют ГИС технологии.

Преимущества использования информации с данных спутниковых систем бесспорны, ведь пространственную картину на больших территориях можно получить только с использованием космических спутников. С помощью дополнительных методов количественной обработки имеющейся информации возможно получение тематических карт, отражающих не только породно-возрастные классификационные категории, но и параметры типологического и таксономического разнообразия лесного покрова [1]. Таким образом, возможно выделение классов и получение информации о породном составе, и даже продуктивности лесного покрова на огромных территориях в сходных климатических поясах. Полученные снимки в псевдоцветах позволяют точно идентифицировать лесной покров, и представляют из себя своеобразную базу данных, которая теоретически может содержать такую информацию как чистая первичная продукция, фитомасса, породный состав и тд. К тому – же такой вид хранения позволяет постоянно обновлять информацию о лесном покрове, поэтому может быть поставлена и задача мониторинга быстропротекающих процессов, таких, как изменение состояния лесного покрова в результате засух, пожаров, вспышек энтомозаражения [2]. Поэтому ГИС на данный момент являются одним из лучших и эффективных методов мониторинга, а так же инструментов картирования лесного покрова.

Целью данной работы является оценка возможностей картирования лесного покрова дистанционными методами с применением ГИС технологий, в нашем примере – программы ArcGis, и оценка эффективности такого картирования.

Исследования проводились на 5 тестовых участках площадью 0.12га, в 3-х разных экосистемах Валдайского заповедника:

1. Ельник

• Пробная площадь №1 – 120-летний ельник.

• Пробная площадь №2 – Разновозрастный ельник

1. Молодой мелколиственный лес с примесью ели

• Пробная площадь №3 – Молодой мелколиственный лес с примесью ели (возраст около 20 лет), сформировавшийся после распада ельника

1. Окно распада (сухостойный ельник)

• Пробная площадь №4 – Участок сухостойного ельника с ветровалами и ветроломами

• Пробная площадь №5 – Участок сухостойного ельника с ветровалами и ветроломами

Расположение пробных площадей приведено на рис.1. Границы тестовых зон выделены разными цветами, красными точками помечены границы многочисленных окон распада. Снимок сделан спутником Ресурс-П, разрешение 3м/пиксель, что позволяет детально идентифицировать лесной покров.

Рис. 1. Расположение пробных площадей и окон распада на территории Национального парка «Валдайский» (выделены контуром разных цветов). Снимок сделан космическим спутником Ресурс-П 10.04.14 разрешением 3м/пиксель.

Для изучения пробных участков, на них были проведены таксационные измерения, а именно: подсчет количества древостоя, измерения диаметра стволов на высоте груди (1.3м), измерения высот выборочных деревьев, оценка их состояния в соответствии с Санитарными правилами в лесах РФ. Для привязки положения пробных площадей и контуров сухостоев, с помощью навигатора Garmin Etrex 30 зафиксировано 242 координатных точки (координаты 5 пробных площадей, и 7 контуров сухостоев).

Для увеличения точности картирования лесного покрова Валдайского заповедника, было решено использовать обширные таксационные данные, собранные сотрудниками НИЦ «Планета», а данные наших пробных площадей и контуров сухостоев использовать как проверку результатов картирования. В итоге, нами было получено общее цветное синтезируемое изображение (рис.2) с положением пробных площадей и контуров сухостоев, полученных сотрудниками НИЦ «Планета».

Рис. 2. Общее цветное синтезируемое изображение лесного покрова Национального парка «Валдайский» с координатами пробных площадей (выделены контуром разных цветов), собранных сотрудниками НИЦ «Планета». Снимок сделан космическим спутником Канопус 21.09.14 разрешением 3,5м/пиксель.

На данном космическом снимке представлены все данные о координатах пробных площадей, собранных сотрудниками НИЦ «Планета». Цветами отмечены подтопленные участки, травяной покров, древостои ели, верховые болота с сосной, лиственные и смешанные леса, открытые болота и т.д.

После этого, в программе ArcGis 10.1, с помощью алгоритма распознавания изображения с обучением, был получен общий снимок части Валдайского заповедника в псевдоцветах (рис.3).

Рис. 3. Космический снимок в псевдоцветах с изображением классов лесного покрова, полученный в результате обработки в программном комплексе «Planeta Monitoring».

На данном космическом снимке хорошо различимы отдельные классы лесного покрова. Заметно, что начинают преобладать березово – сосновые и лиственные леса. Хотя и еловые леса все еще имеют большую долю в лесном покрове. На снимке заметны заболоченные и подтопленные участки леса. Смешанные леса занимают небольшую территорию. Так – же на снимке присутствует много окон распада, в особенности в местах преобладания лиственных лесов.

После этого, координаты наших пробных площадей были перенесены на данный снимок в псевдоцветах, и проведена идентификация лесного покрова. (рис. 4).

Рис. 4. Итоговый сравнительный космический снимок в псевдоцветах, с местоположением пробных площадей и окон распада.

На данном космическом снимке наши исследования показали достаточно близкое совпадение с наземными данными и оказались близкими к результатам классификации снимка, а границы контуров сухостоев и пробных площадей близки к границам по карте. На снимке видно, что контуры наших пробных площадей четко совпадают с теми классами, которые выделены на снимке. Участки заметно выделяются на фоне остального покрова, видно соответствие породного состава на снимке и фактическими данными.

По снимку хорошо заметно, что пробная площадь №1 состоит из насаждений ели, с небольшими примесями сосны и смешанных лесов, что полностью согласуется с нашими фактическими данными, полученными на полигоне (ель занимает 90% пробной площади). Пробная площадь №2 на 30% состоит из лиственных лесов (преимущественно рябина), остальные 70% занимает ель, что так – же наглядно видно на рисунке. Пробная площадь №3 – самая разнообразная площадка по породному составу, что видно уже невооруженным глазом. Около 50% площадки занимают лиственные леса (рябина), ель занимает около 20% покрова, смешанный лес, в классификацию которого вошла ива козья – 20%, 10% занимает береза. Хотя и имеются некоторые отклонения (на карте присутствую елово – сосновые леса, хотя в выборке их не было), снимок дает довольно четкое описание породной характеристики лесного покрова, и даже ее процентный состав. Породный состав 4 пробной площади не совсем соответствует данным, представленным на снимке, так как данный объект обладает недостаточной информационной обеспеченностью, возможные причины кроются в малом размере объекта, смещении пикселей, недостаточности выборки подобных объектов. Для уточнения данных об объектах, подобных объектам на пробной площади №4, необходимо проводить повторные измерения на большей площади.

Пробная площадь №5 является окном распада, ее породный состав практически на 100% состоит из ели, что явно видно на космическом снимке.

По снимку ясно, что еловые леса все еще и преобладают в лесном покрове. Однако заметно, что на смену им приходят лиственные и смешанные леса (рябина, ива, береза, сосна, черемуха и др.). На снимке видно множество заболоченных участков с сосной, в особенности вблизи, или в окнах распада. Березово – сосновые леса занимаю очень обширную территорию справа на снимке, так как в данной области очень много заболоченных участков. Видно, что травяной покрова на данных территориях так – же обширен. Начинают появляются области с молодым подростом деревьев и кустарников. Был сделан вывод о том, что в Валдайском заповеднике в данный момент происходит смена преимущественно еловых лесов на леса мелколиственные.

Таким образом, на примере картирования Валдайского заповедника, было показано, что с помощью дистанционных методов возможна идентификация лесного покрова, а так – же интерполяция результатов на большие территории со сходным породным составом. С помощью ГИС возможно прослеживать и прогнозировать динамику растительного покрова, при условии наличия долговременных измерений. К примеру, уже сейчас по обработанным снимкам можно сказать, что в дальнейшем в зонах распада будет преобладать мелколиственный лес, который придет на смену еловому. С помощью дистанционных методов возможно оценивать и продуктивность лесного покрова, однако, собранных нами данных в процессе полевых работ для поиска корреляции между спектральным откликом растений и их продуктивностью не достаточно. Это далеко не весь перечень возможностей дистанционного зондирования лесов.

В данный момент идет активный процесс изучения возможностей других программных комплексов типа ГИС, а в частности, QuantumGis, MultiSpec, ENVI. Анализируются возможности оценки продуктивности, фитомассы и других характеристик лесного покрова по спектральному отклику растений, уточнения интерполируемых данных на сходные территории, отражения динамики и прогнозирования состояния лесного покрова дистанционными методами.

Список литературы

1. Макаренко Е.Л. Оценка и картографирование экологического и древесно – сырьевого потенциала лесов. Научный журнал «География и природные ресурсы». №1. 2007. С. 115-123.

2. Черепанов А.С., Дружинины Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы. Геоматика. №3. 2009. С. 28 – 32.

Код для цитирования: Скопировать