Материал: Мониторинг лесной растительности по данным спутниковых снимков

Кроме этого, анализ сопоставление карт плановых и фактически выполненных хозяйственных и природоохранных мероприятий на территории ООПТ позволяет составить карты и сводные ведомости нарушений хозяйственной и природоохранной деятельности.

- Нарушения правового режима водоохранных зон и особо защитных участков леса (берегозащитных полос). Мониторинг проведение рубок в водоохранных зонах и особо защитных участков леса (берегозащитных полос) актуальная проблема. Высокодетальные снимки с пространственным разрешением 2,5 м и выше позволяют выявить данный тип нарушений, так как на столь детальных снимках хорошо просматриваются русла ручьёв и небольших рек. Это позволяет (с помощью ГИС) построить вдоль русел буферные водоохранные зоны и берегозащитные полосы заданной ширины и, соответственно, выявить факты рубок в водоохранной зоне.

- Превышение предельно допустимых параметров лесосек. По данным космической съёмки высокого разрешения можно надёжно определять такие нарушения правил заготовки древесины, как превышение предельно допустимой площади, ширины лесосеки и нарушение сроков примыкания лесосек.

- Дистанционный мониторинг незаконных рубок. Борьба с незаконными рубками на сегодняшний день не является одной из важнейших задач, однако, наличие в арсенале методов оперативной ревизии лесного фонда, является надежным инструментов профилактики подобных нарушений законодательства.

Схема выполнения работ включает 5 этапов [8].

- Подготовительные работы включают обработку разрешительных документов: проектов освоения лесов, лесных деклараций, лесорубочных билетов, абрисов лесосек. Информация, содержащаяся в разрешительных документах, является электронной базы данных мониторинга, для создания которой осуществлялись:

а) сканирование;

б) привязка планшетов и абрисов лесосек;

в) добавление атрибутивной информации о лесосеках

- Приобретение и обработка космических снимков.

- Дешифровочные работы материалов космической съемки и анализ разрешительных документов Дешифровочные работы осуществляются визуально-интерактивным методом. В процессе анализа проводилось измерение площадей лесосек, выявление нарушений, формирование ведомости нарушений, расчет ориентировочной суммы вреда в денежной эквиваленте. Незаконно вырубленные лесосеки формируются в отдельный векторный слой.

- Проведение выборочной полевой проверки. Выборочная полевая проверка проводится с применением GPS-приемника и в количестве не менее 3% от числа лесосек с выявленными нарушениями лесного законодательства.

Составление итоговой карты и ведомости наущений лесного законодательства

С использованием стандартных функций, реализованных в большинстве существующих ГИС, разработаны ряд оригинальных методик определения негативного воздействия антропогенных и естественных факторов и масштабов экономического ущерба (рисунок 9).

Технической (аппаратной и программной) основой для геоботаническо- го и экологического картографирования является многофункциональная многоуровневая геоинформационная система (ГИС), обеспечивающая совместимость и агрегирование разнородных данных.

При создании ГИС используются следующие виды базового программного обеспечения:

а) системы обработки данных дистанционного зондирования Земли ENVI, Scanex Image Processor;

б) геоинформационные платформы MapInfo, Quantum GIS, ArcGIS;

в) системы управления базами данных MS Access;

г) электронные таблицы MS Excel;

д) языки высокоуровневого программирования С++, Visul Basic, IDL, Map Basic.

Окончательный подбор компонентов ПО осуществляется на этапе рабочего проектирования.

Перечень тематических блоков в типовой ГИС выглядит следующим образом [17].

Базовый блок. Предназначен для географической привязки и согласования пространственных данных. Он включает:

а) слой с выбранными элементами топографической основы;

б) слой с гидрографической сетью.

Блок дистанционных данных (космоснимков, материалов автоматической классификации), который используется как для составления или уточнения базового слоя, так и для получения данных о характеристиках растительного покрова в результате дешифрирования.

Рисунок 9 - Методика стоимостной оценки последствий для территорий лесного фонда, поврежденных пожарами

Геоморфологический блок. Включает следующие слои:

а) гипсометрический (оцифрованные горизонтали с топографической карты);

б) цифровую модель рельефа.

Блок с данными лесоустроительных работ:

а) слой с границами лесоустроительных кварталов и выделов;

б) слой таксационных данных (возраст, состав, высота, диаметр, полнота насаждения, запас древесины) болотных лесов и примыкающих территорий;

в) слой информации о выполненных хозяйственных мероприятиях.

Фитоценотический блок. Включает следующие слои:

а) пункты проведения наземных полевых обследований растительности (геоботанических описаний, учета популяций древесных или травянистых растений на постоянных пробных площадях, профилях и трансектах;

б) пункты находок редких или ценных видов растений;

в) границы выделов геоботанической карты.

Экологический блок включает слои:

а) инструментальные измерения экологических параметров местообитаний (pH, электропроводность и уровень стояния вод, физико-химические свойства почв);

б) фитометрические индексы (увлажнение, кислотность, трофность, освещение).

Антропогенный блок включает слои:

а) данные выделения защитных территорий разного назначения;

б) данные о лесных пожарах;

в) информацию о состоянии растительности и негативных факторах воздействия;

г) сведения о прокладке или функционировании коммуникаций.

Кроме этого, для целей обучения составлен каталог космоэталонов, где в единый проект нами были сведены материалы, которые необходимы для дистанционной диагностики природных экосистем. При этом их размещение отражает последовательности обработки и синтеза информации при космическом исследовании природных экосистем.

Экономическая эффективность применения данных дистанционного зондирования для изучения растительного покрова определяется следующими факторами:

- исследованию может быть подвергнута любая точка земного шара, включая труднодоступные и опасные регионы.

не требуется предоставления наземного персонала, организации полевых работ, экспедиций, выделения дополнительных ресурсов и т.д.

масштабность исследований. Покрываемая одним снимком площадь может достигать десятков тысяч квадратных километров.

- стоимость единицы объема материалов аэросъемки в соотношении с наземными съемками составляет пропорцию 1:3, и в соотношении с данными космических съемок 1:1.

Безусловно, сегодня космос является одним из ярких брендов научнотехнического потенциала не только Национальной академии наук Беларуси, но и всей нашей страны. Являясь технологией двойного значения (ВПК и народное хозяйстве), космос остро нуждается в расширении применения данных дистанционного зондирования в отраслях реального сектора экономики.

Для нашей страны развитие тематического геоботанического картографирования с использованием данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий является перспективным направлением, которое может стимулировать развитие как фундаментальных направлений современной ботаники (классификация растительности, фитоиндикация, прогнозное моделирование), так и современных, имеющих сугубо прикладной аспект (технологии мониторинга растительности, прогнозирование состояния природной среды в результате хозяйственной деятельности, контроль природопользования и экологическая безопасность).

К числу перспективных направлений представляются следующие исследования.

- Создание цифровой карты растительности Беларуси. Разработка и внедрение этой технологии может стать настоящим прорывом в сфере формирования национального контента в области науки, культуры и системы научно-технической информации. Созданные в 1960-1970 гг. печатные карты растительности страны (М 1:1 000 000, 1:600 000), уже морально устарели, поскольку они создавались на основе послевоенных материалов и в условиях ограниченного доступа ко многим территориям (в первую очередь, военным полигонам). За этот период на территории страны реализовался ряд крупномасштабных социально-экономических проектов (мелиорация Полесья, индустриальное и аграрное развитие регионов), выделена зона отчуждения после аварии на ЧАЭС, значительно усилился антропогенный пресс на природную среду. Все это привело к существенному измению картины растительного покрова территории современной Беларуси. Эти исследования необходимо осуществлять на принципиально новой платформе с использованием ГИС-технологий и данных аэрокосмического зондирования.

Разработка системы дистанционного мониторинга земель лесного фонда на основе использования материалов лесоустройства, радарной и мультиспектральной космических съемок высокого разрешения.

Система мониторинга позволит оперативно и эффективно решать задачи планирования хозяйственных мероприятий, выявления «проблемных участков» гослесфонда, а также проводить оперативно-розыскные мероприятия при контролю за соблюдением лесного и природоохранного законодательства.

- Разработка технологий и программного комплекса, позволяющие осуществлять динамическое картографирование наземных экосистем с ежегодным выявлением и прогнозированием масштабных изменений в структуре растительного покрова.

Это открывает широкие перспективы использования электронных карт для решения различных государственных задач и выполнения международных обязательств в области лесного хозяйства, охраны природы.

- Создание корпоративных геоинформационных систем с возможностью одновременного подключения пользователей и редакторов с помощью интранет/интернет-сетей.

Серверные ГИС могут стать примером инновационной технологии в области изучения и инвентаризации биоразнообразия, управления природно-заповедными объектами.

На платформе ГИС возможно создания серии прикладных научнотехнических разработок, которые найдут широкий круг потребителей в экономической и природоохранной сфере.

Необходимо также широкомасштабное внедрение технологий ДДЗ и геоинформационных систем в практику работы всех сфер, связанных с эксплуатацией и охраной природных ресурсов (лесное хозяйство, проектно-изыскательские работы, охрана природы, контролирующие органы).

Таким образом, создание крупномасштабных карт растительности на территории страны и ее отдельных регионов, перспективны в хозяйственном отношении, имеет большое научно-теоретическое, методическое и хозяйственно-прикладное значение. В настоящее арсенал методов геоботанического картографирования значительно расширился за счет внедрения ГИС-технологий, материалов ДДЗ. Их применение позволяет создавать практически неограниченное число виртуальных тематических карт и анализировать их в самых различных сочетаниях. Развитие картографии растительности, особенно актуально в связи с формированием национальной системы аэрокосмического мониторинга природной среды.

1.4 Анализ структуры, состояния и динамики агролесоландшафтов по материалам аэрокосмического мониторинга

Структура, состояние и динамика агролесных ландшафтов в первую очередь зависят от состояния земель сельскохозяйственного назначения и защитных лесных насаждений. Согласно методологии и методике картографо-аэрокосмического мониторинга [10] подходы к анализу этих структурных экосистем агролесоландшафтов должны быть различны, так как для пашни важным является плодородие почв, уровень ее деградации, для кормовых угодий - состояние и состав травянистого фитоценоза, а для лесонасаждений - сохранность, состояние деревьев, их таксационные характеристики.

Для успешного анализа состояния агролесоландшафтов необходимо правильно оценить ситуацию на основе критериев, которые определяют количественные характеристики процессов их деградации, материалов аэрокосмического мониторинга и других источников информации, а именно: черно-белые, мультиспектральные или спектрозональные космоснимки с разрешением не менее 10 м для отдельных малоразмерных агролесомелиоративных объектов, ЗЛН и не менее 30 м для площадных объектов (лесные массивы, пашня, пастбища). Выбор разрешения обусловлен возможностью дешифрирования параметров объекта мониторинга (характеристик его экологического состояния).

В связи с этим агролесомелиоративное картографирование и аналитическое моделирование на основе космической фотоинформации в сочетании с геоинформационными технологиями становятся важнейшими методологическими и методическими приемами, позволяющими осуществлять не только мониторинг состояния земель, но и анализировать динамику деградационных процессов. Математико-картографические модели дают возможность разрабатывать систему управленческих решений по адаптивному обустройству.

В агролесомелиоративном картографировании принята оценочная шкала экологической деградации ландшафтов, включающая четыре уровня [3]: норма, риск, кризис, бедствие. Параметры для различных компонентов агролесоландшафта, определяющие соответствующий уровень его деградации, различны.

Для компьютерного анализа и дешифрирования изображения с целью получения статистически достоверных данных о состоянии ландшафтных участков необходимо знать не только величину, но и распределение тона на них. В связи с этим для такого анализа изображения должны использоваться цифровые или оцифрованные аналоговые аэро- и космоснимки, которые являются основой растровых цифровых моделей местности. В результате преобразования анализируемое изображение становится композицией растровых пикселей, чем и обеспечивается возможность его компьютерной статистической обработки. Так как положение каждого пикселя на изображении в цифровом виде точно определено, то появляется возможность привязать его положение к координатной сетке и обеспечить точность ландшафтного анализа.

Файлы растровых цифровых моделей изображений имеют достаточно большой размер, возрастающий с увеличением разрешения сканирования, поэтому это разрешение приходится ограничивать. При работе в графических редакторах рекомендуется выбор такого разрешения сканирования, при котором размер полученного файла оцифрованного изображения не превышал бы размера оперативной памяти компьютера (максимально возможный размер оперативной памяти для 32- и 64-разрядные систем составляет 4 и 8 Гб соответственно). Исходя из размеров исходного аналогового снимка или выбранного на снимке участка, можно предложить примерные варианты разрешения для сканирования: максимальный размер снимка более 200x200 мм - разрешение сканера 300 dpi и далее соответственно 100x100, 200x200 - 400; 50x50, 100x100 - 600; 10x10, 50x50 - 1200; менее 10x10 - 2400.

Исходный снимок может быть черно-белым (моноxромным), цветным или спектрозональным. Цветные и спектрозональные снимки обрабатываются в одной из цветовые сxем - RGB, CMYK, LAB (некоторые компьютерные программы работают только в системе RGB, поэтому предпочтение отдается этой сxеме). Оцифрованные черно-белые изображения несут информацию в 256 оттенкаx серого тона. Для идентификации и дешифрирования xарактеристик объектов, представленные оцифрованными цветными многоканальными изображениями, можно использовать информацию по 256 тонам каждого канала. Анализ распределения пикселей как по серому тону, так и по цветным каналам дает возможность получать количественные xарактеристики исследуемого объекта. Для черно-белые космоснимков особо выделяется задача идентификации объектов, присутствующих на изображении, так как прямые дешифровочные признаки не всегда однозначно позволяют ее выполнить. В этом случае важную роль играет опыт дешифровщика и дополнительные косвенные признаки.