Материал: Мониторинг лесной растительности по данным спутниковых снимков

Обработка геоботанических описаний осуществлялась при помощи компьютерной программы JUICE, при этом алгоритм включал следующие последовательные шаги:

) обработка (предварительно вручную сгруппированных) геоботанических описаний методом TWINSPAIN;

) составление синоптической таблицы с константностью и привязанностью видов;

) анализ колонок постоянства с выделением групп диагностических, константных, доминантных видов;

) составление характеризующей обзорной таблицы картируемых синтаксонов.

Следует более подробно прокомментировать стремление всесторонне обрабатывать фитоценотические описания. На большинстве обследованных участков происходили разнообразные по характеру и силе антропогенные воздействия, в результате чего большая роль в современном растительном покрове принадлежит разнообразным производным сообществам, которые являются различными стадиями восстановления или деградации естественной растительности. Эти неустойчивые (серийные) сообщества в значительной степени увеличивают пестроту растительного покрова. В связи с этим использование автоматических методов классификации геоботанических описаний (после предварительной сортировки вручную) позволяет выделить группы дифференцирующих видов и соответственно более точно провести демаркацию между картируемыми единицами. Кроме этого, применение специализированных программ (JUICE, PC-ORD) позволяет автоматизировано обработать экологический составляющую описаний (расчет фитометрических индексов, ординация сообществ в пространстве факторов среды и т.д.), что позволяет оперативно использовать информацию для целей фитоиндикационного картографиторования.

б) Разработка легенды геоботанической карты. Структура легенды отражает типологическую дифференциацию растительного покрова. При ее составлении нами используются единицы эколого-физиономической (доминантной) классификации (основывается при выделении единиц всех рангов на экобиоморфе доминантных видов господствующей синузии).

Высшие подразделения легенды соответствуют типам растительности: (лесной, болотной, луговой, прибрежной-водной и т.д.). Самостоятельными разделами приводится типологически разнородная растительность на месте гарей и вырубок, условно названная «пустошной», а также вторичная мелколесная и кустарниковая растительность.

Лесной тип растительности подразделяется на классы формаций: хвойные, широколиственные, мелколиственные производные и лиственные коренные леса на болотах. Картируемые таксоны хвойных (в подавляющем большинстве сосновых) лесов на болотах рассматриваются как градации этих лесов, коренные лиственные леса на болотах выделены в отдельную таксономическую категорию высшего ранга. Это продиктовано стремлением сохранить единство формационной структуры лесной растительности. Лиственные леса на болотах - пушистоберезовые и черноольховые - образуют самостоятельные, сопряженные друг с другом формации, тогда как типы сосняков на болотах составляют часть эколого-фитоценотического ряда сосновых лесов. Подзаголовками следующего ранга для лесной растительности являются формации (сосновые, еловые, осиновые, черноольховые и т.д.). Далее в легенде приводится разделение лесной растительности по таксонам, соответствующим единицам лесотипологической классификации.

Следует заметить, что при создании геоботанических карт многие исследователи не видят серьезной альтернативы эколого-физиономической классификации. Это обусловлено, тем, что единицы доминантной классификации в отличие от флористической, не имеют жестких синтаксономических рамок, что позволяет более адекватно отображать географические, хорологические особенности растительного покрова, а также его динамику при разнообразных антропогенных нарушениях [5].

Затрудняет использованием флористической классификации и сложность с выбором синтаксономического ранга единиц картирования. Обзор литературных источников, показывает, что среди сторонников школы Ж. Браун-Бланке наиболее популярная единица при крупномасштабном геоботаническом картировании является ассоциация [24]. Однако, если жестко придерживаться установки и не покидать рамок созданной синтаксономической схемы растительности Европы, то использование географически обширных ассоциаций, включающих большое количество различающихся между собой сообществ не способствует познанию закономерностей растительного покрова, затушевывает его существенные черты. Можно ли получить достаточную информацию о растительном покрове той или иной территории, имея в легенде, например, Sphagnetum magellanici (Male. 1929) Kastner et Flossner 1933 или Vaccinio uliginosi-Pinetum sylvestris (Hueck 1929) R.Tx.1955? Географический ареал этих ассоциаций огромен и они были бы уместны при картировании растительности Германии, Польши, Беларуси, Литвы или даже европейской части России. Или, как например, с использованием традиций франко-швейцарской школы при картировании болот разделить болотные леса (сосняки сфагновые) и облесенные болота (сосновое редколесье), относящиеся к разным типам растительности (лесному и болотному)? Арсенал флористической классификации предлагает в этом случае только один таксон - Sphagno-Pinetum sylvestris Kobendza 1930. Применение синтаксонов ранга ниже, чем ассоциация (субассоциация, вариант, фация) в наших исследованиях тормозится в связи с отсутствием в доступных литературных источниках достаточного опыта подобных использований.

Не стоит забывать и о прикладной стороне вопроса: пользователь цифровой и (или) аналоговой картографической продукции (лесоустроитель, проектировщик) в подавляющем большинстве случаев не владеет базовыми основами флористической классификаций, в результате чего легенда для него остается зашифрованной и область применения карт растительности в таком случае сокращается только до научных целей. Вместе с тем, мы нисколько не отрицаем, необходимость более широкого использования единиц флористической классификации для крупномасштабного картографирования растительности, и первые исследования нами уже начаты.

в) Создание контролируемой автоматической классификации. На основе экспертной оценки проводится окончательная контролируемая автоматическая классификация и оценивается информативность полученных данных относительно совокупности наших знаний (картографические, полевые, литературные материалы) по установленным эталонам (классам растительности). Анализ полученных результатов и сопоставление их с полевыми данными позволили сделать коррекцию распределения некоторых классов за счет увеличения количества эталонных пиксел, необходимых для проведения классификации.

г) Создание картографической модели. На основе систематизации классов (кластеров) полученного классифицированного изображения создается картографическая модель изучаемого участка. Для составлении ведомости площадей картируемых таксонов растительности использовали модуль, встроенный в платформу программы Arc GIS (ESRI, USA). Создание карты сопряжено с созданием единой ГИС, включающей электронный фотоплан, топооснову, материалы обработки космических снимков, прекарту, базы данных (в формате dbf) геоботанических описаний. Анализ и оформление карт осуществляется в программной среде ArcGIS.

В последнее десятилетие нами составлены крупномасштабные карты растительности практически для всех крупнейших объектов природно-заповедного фонда страны, а также 30 км зоны БелАЭС и других природных территорий (рисунок 6). При их составлении использовались, как правило, традиционная доминантная классификация и структурно-динамические принципы построения легенды.

В качестве примера итоговой работы приведем геоботаническую карту нарушенного лесоболотного комплекса «Жада», созданной по итогам комплексного изучения растительности болота в 2010-2013 гг. (рисунок 7, таблица 2) [5].

Вместе с тем важнейшим этапом работ была необходимость «конвертировать» содержимое геоботанической карты в серию прикладных тематических карт. На основе карты актуальной растительности тестового полигона и сопряженной с нею базы данных создавался ряд прикладных тематических карт (рисунок 8).

Не вдаваясь подробно в методические вопросы прикладной геоботанической картографии, которые довольно подробно изложены нами в специальном издании [16], кратко обозначим содержание основных тематических карт.

Карта факторов антропогенного воздействия показывает действие (одного-двух) наиболее значимых факторов на каждый выдел растительности: сплошные и выборочные рубки последних лет, пожары, сенокошение и выпас, подтопление и т.д.

Рисунок 6 - Обобщенные сведения о результатах геоботанического и прикладного тематического картографирования, выполненных с использованием ДДЗ

Таблица 2 - Легенда карты растительности

Рисунок 7 - Заключительные этапы создания геоботанической карты проектируемого заказника «Жады». А - фрагмент снимка ALOS Avnir и контуры растительности, установленные после контролируемой автоматической классификации; Б - карта растительности

ПРИКЛАДНАЯ ГЕОБОТАНИЧЕСКАЯ КАРТОГРАФИЯ

Рисунок 8 -Тематические блоки прикладного геоботанического картографирования

Карта современного состояния отражает два процесса - деградацию растительности под воздействием антропогенных факторов и восстановительные процессы, развивающиеся после этих воздействий. Выделены 4 градации: слабо-, средне-, сильнонарушенная и полностью уничтоженная растительность.

Фитоиндикационные карты, характеризуют экологические режимы местообитаний (увлажнение, кислотность, трофность, освещение), детектируемые на основе экошкал.

Карта направленности современных процессов в природных экосистемах отражает процессы изменения экологических условий, индицируемых по характеру сукцессий растительности.

Карта изменений условий увлажнения, индицируемых по сукцессиям растительности. Определяет 4 направления изменений условий увлажнения: стабилизация, увеличение (заболачивание), уменьшение (осушение) и разнонаправленные процессы в комплексных местоположениях.

Карты устойчивости природных экосистем: к пожарам - разработана на основе стандартной лесохозяйственной шкалы пожарной опасности; к рекреационному воздействию составлена на основе существующих предельно допустимых рекреационных нагрузок на растительность.

Карта оценки местообитаний с точки зрения поддержания биологического и ландшафтного разнообразия построена на основе выделения таксонов, охраняемых в соответствии с Директивой Евросоюза по местообитаниям.

Карта особо ценных растительных сообществ. На ней отражены:

редко встречающиеся лесные сообщества;

природные эталоны, наименее измененные хозяйством антропогенно-природные леса;

хозяйственные естественные и искусственно созданные леса местных лесообразователей высокой продуктивности и целевого соответствия;

лесные фитоценозы на болотах, вокруг озер, у истоков рек;

редкие комплексные болотные сообщества;

фитоценозы с редкими видами растений;

ресурсоведческие участки;

опытные объекты.

Карта а-разнообразия, составленная на основе системы балльных оценок обилия, исходя из видового обилия на единицу площади.

Карты ресурсного потенциала растительности отображают сведения о биологических ресурсах (общих запасов стволовой древесины лесов, урожайности ягод клюквы, запасов лекарственных растений и т.д.).

Карты стоимостной оценки экосистемных услуг и биологического разнообразия отображают:

интегральную оценку экосистемных услуг;

экономическую оценку первичной и вторичной продукции;

стоимостную оценку биологического разнообразия.

Карта экологических функций растительности отражает средообразующий и ландшафтно-защитный потенциал растительности.

Мониторинг лесохозяйственной деятельности. В последние годы при инвентаризации ООПТ значительное внимание уделяется мониторингу лесохозяйственной деятельности.

Выявление новых лесосек проводится путём сравнения свежих данных космической съёмки со снимками годичной (и более) давности. Лесосеки на снимках выглядят как объекты повышенной яркости на фоне более тёмного нетронутого леса. Основное отличие лесосек от похожих объектов - пожаров и ветровалов - состоит в наличии связанной инфраструктуры (лесовозные дороги, погрузочные площадки, магистральные и пасечные волоки) [11].

Основным признаком, по которому лесосеки разделяется на классы выборочных и сплошных рубок, выступает текстура. Если для сплошных вырубок характерна практически полная её однородность, то более выраженная текстура выборочных рубок обусловлена наличием волоков, дорог, погрузочных площадок, «окон» в пологе в сочетании с нетронутой частью насаждений. Чем выше пространственное разрешение, тем лучше различимы элементы инфраструктуры внутри лесосеки, в первую очередь волоки (технологические коридоры). Так, на снимках SPOT (разрешение 10 м) различимы лишь самые наезженные волоки, тогда как на более детальных данных IRS-P5 (разрешение 2,5 м) и EROS B (разрешение 0,7 м) видны не только большинство волоков, но и кроны отдельных деревьев [11].

Другими важными отличительными признаками для разделения выборочных и сплошных рубок выступают яркость и форма объектов. Сплошные вырубки обычно имеют правильную прямоугольную форму. Исключение могут составлять санитарные рубки, например, после пожара. Яркость сплошных свежих вырубок, как правило, велика за счёт большого процента открытой почвы [11].

При выборочных рубках форма лесосек может сильно варьировать, особенно в случае рубок ухода или незаконных самовольных рубок. При промышленной заготовке древесины форма лесосеки обычно более правильная. Яркость выборочных рубок варьирует в широких пределах и зависит от ряда факторов: сезона съёмки, выраженности рельефа, освещённости склона, на котором распложена рубка, давности и интенсивности рубки, доли темнохвойных и мягколиственных пород в составе древостоя, наличия и сомкнутости второго яруса и подлеска, а также степени их повреждения при рубке. Надо отметить, что возможность достоверно выявлять выборочные рубки, в том числе и на местности с выраженным рельефом, позволяет проводить мониторинг нарушений в защитных лесах различных [5].

На основе анализа результатов исследования составляются карты [8, 11, 17].

- Нарушения правового режима особо охраняемых природных территорий (ООПТ). Примером данного типа нарушений являются:

а) проведение сплошных рубок на участках где они запрещены в пределах заповедников, национальных парков, заказников;

б) гибель насаждений в результате нарушения режима хозяйственного использования земель.