CC BY
6
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-34 ANALYSIS OF PROTECTIVE FOREST STANDS ON THE TERRITORY OF THE DON RIDGE USING GIS TECHNOLOGIES AND AEROSPACE DATA
K.P. Sinelnikova
Federal Scientific Center of Agroecology, Integrated Land Reclamation and Protective Afforestation
of the Russian Academy of Sciences, Volgograd
Received 28.02.2023 Submitted 04.05.2023
The work was carried out within the framework of the state task of the Federal Research Center for Agroecology of the Russian Academy of Sciences FNFE 2022-0003 (state registration No. 122020100311-3) "Theoretical foundations of the functioning and natural-anthropogenic transformation of agroforestry landscape complexes in transitional natural-geographical zones, patterns and forecast of their degradation and desertification based on geoinformation technologies, aerospace methods and mathematical cartographic modeling in modern conditions"
Summary
The article presents the results of the analysis of protective forest plantations on the territory of the Don ridge using GIS technologies and satellite images. It was found that 661 protective forest strips are located on the territory of the study, of which 50 sites belong to the state protective forest strip «Penza-Kamensk». The established degree of protective forest cover shows that the studied territory of the Tsutskan River catchment area needs to develop a systematic forest reclamation of agricultural land, taking into account the optimal placement of plantings according to the criterion of preventing soil degradation from both deflation and water erosion.
Abstract
Introduction. The territory of the Don ridge is characterized by active use for agricultural activities and the presence of flat extensive watersheds that are affected by adverse conditions. Protective forest stands are the main part in the system of measures to combat soil degradation. Protective forest plantations form favorable conditions for increasing the productivity of the land, increasing the efficiency of fertilizers and improving the quality of grain. Object. Protective forest plantations on the territory of the Don ridge. Materials and methods. The analysis of the current state of protective forest stands was carried out on the basis of the relationship between the preservation of forest stands and their display on aerospace images. The methodology is based on the position that objects of remote optical shooting with an acceptable resolution are objectively reflected in the image. The technique is based on geoinformation analysis and decoding of such images with the identification of spatial characteristics of the preservation of plantings of various types located on the study area. To carry out the study, archival ultra-high-resolution images of the ESRI WorldView 3 satellite were used. Results and conclusions. To perform the analysis of protective forest stands in the studied area of the Tsutskan River catchment, an indicator of the degree of protective forest cover was calculated, which is 0.36% less than the calculated indicator of optimal forest cover for the research area, which is 2.2%. The interpretation of the studied territory showed that the current state of protective forest stands has a high degree of preservation, but in order for them to fully perform the functions of protecting agricultural landscapes, it is necessary to carry out systematic forest reclamation of agricultural lands, taking into account the optimal placement of plantings according to the criterion of preventing soil degradation.
Keywords: catchment area, satellite images, relief, protective forest stands, preservation, forest cover, placement.
Citation. Sinelnikova K.P. Analysis of protective forest stands on the territory of the Don ridge using GIS technologies and aerospace data. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2023. 2(70). 299-305 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-34.
Author's contribution. Author of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. Author of this paper have read and approved the final version submitted.
Conflict of interest. The author declares that there is no conflict of interest.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
УДК 528.7:551.43:631.459
АНАЛИЗ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ ДОНСКОЙ ГРЯДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ
К. П. Синельникова, младший научный сотрудник
ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград
Дата поступления в редакцию 28.02.2023 Дата принятия к печати 04.05.2023
Работа выполнена в рамках государственного задания ФНЦ агроэкологии РАН FNFE 2022-0003 (гос. регистрация № 122020100311-3) «Теоретические основы функционирования и природно-антропогенной трансформации агролесоландшафтных комплексов в переходных природно-географических зонах, закономерности и прогноз их деградации и опустынивания на основе геоинформационных технологий, аэрокосмических методов и математико-картографического моделирования в современных условиях»
Актуальность. Территория Донской гряды характеризуется активным использованием для ведения сельскохозяйственной деятельности и наличием плоских обширных водоразделов, которые подвержены влиянию неблагоприятных условий. Защитные лесные насаждения являются основной частью в системе мероприятий по борьбе с деградацией почв. Защитные лесные насаждения формируют благоприятные условия для увеличения продуктивности земли, возрастает эффективность удобрений и повышается качество зерна. Объект исследования. Защитные лесные насаждения на территории Донской гряды. Материалы и методы. Анализ современного состояния защитных лесных насаждений проводился на основе взаимосвязи сохранности лесных насаждений с их отображением на аэрокосмоснимках. Методология базируется на положении о том, что объекты дистанционной оптической съемки с приемлемым разрешением объективно отражаются на снимке. Методика основана на геоинформационном анализе и дешифрировании таких снимков с выявлением пространственных характеристик сохранности насаждений различного типа, размещенных на территории исследования. Для выполнения исследования использовались архивные снимки сверхвысокого разрешения спутника WorldView 3 сервиса ESRI. Результаты и выводы. В ходе выполнения анализа защитных лесных насаждений на исследуемой территории водосбора реки Цуцкан был рассчитан показатель степени защитной лесистости, который на 0,36 % меньше от расчетного показателя оптимальной лесистости для территории исследований, равного 2,2 %. Дешифрирование исследуемой территории показало, что современное состояние защитных лесных насаждений имеет высокую степень сохранности, но для полного выполнения ими функций защиты агроландшафтов необходимо проводить системную лесомелиорацию сельскохозяйственных угодий с учетом оптимального размещения насаждений по критерию предотвращения деградации почв.
Ключевые слова: водосборы, космоснимки, защитные лесные насаждения, лесистость насаждений, размещение насаждений.
Цитирование. Синельникова К. П. Анализ защитных лесных насаждений на территории Донской гряды с использованием ГИС-технологий и аэрокосмических данных. Известия НВ АУК. 2023. 2(70). 299-305. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-34.
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Автор настоящей статьи ознакомился с представленным окончательным вариантом и одобрил его.
Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Введение. Волгоградская область является одним из ведущих регионов по производству сельскохозяйственных культур. По данным о деятельности комитета сельского хозяйства Волгоградской области было выявлено, что общая посевная площадь
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
на 2021 год составила 3077,1 га. На территории региона в одном городском округе и десяти районах неиспользуемые сельскохозяйственные угодья практически отсутствуют [1]. Защитные лесные насаждения служат для сохранения сельскохозяйственных угодий от неблагоприятных природных и антропогенных воздействий. Наличие ЗЛН на агроландшафте способствует увеличению урожайности сельскохозяйственных культур [9, 10]. Для того чтобы защитные лесные насаждения выполняли свои проектные функции, необходимо проводить оценку их современного состояния. Использование геоинформационной системы и данных ДЗЗ повышает эффективность мониторинга ЗЛН.
Цель исследования заключается в определении современного состояния и пространственного размещения защитных лесных насаждений (ЗЛН).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи: определить оптимальный показатель защитной лесистости; определить степень существующей защитной лесистости; оценить современную сохранность защитных лесных насаждений.
Объект исследования -защитные лесные насаждения водосбора реки Цуцкан, расположенные в Серафимовичском районе Волгоградской области. Общая площадь водосбора - 96 428,5 га.
В границах исследуемого водосбора на обрабатываемых землях в настоящее время сохранилась система защитных лесных насаждений.
Материалы и методы. Исследование выполнялось в камеральных и полевых условиях в лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования аг-ролесоландшафтов ФГНБУ ФНЦ агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН.
Методика проводимого исследования основана на применении дешифрирования и анализа данных дистанционного зондирования Земли в геоинформационной системе и разработке на их основе аналитических карт.
Для определения современного состояния защитных лесных насаждений использовались спутниковые снимки сверхвысокого разрешения, полученные с сервиса ESRI. Привязка снимков осуществлялась по базовой карте Google в бесплатной географической информационной системе QGIS 3.26. На основе полученных снимков создается картографический векторный слой в проекции UTM и в системе координат WGS 84, который позволяет определить характеристики существующей и проектной площади защитных лесных насаждений. На основе созданного векторного слоя по величине фототона определяются границы существующих деревьев. С использованием инструмента «Калькулятор полей» рассчитываются площади полигонов, а в программе Excel проводится расчет сохранности защитных лесных насаждений исследуемой территории. Сохранность ЗЛН определялась по следующим значениям: <0,50 - очень низкая; 0,50-0,70 - низкая; 0,71-0,80 - высокая; 0,81-1,00 - очень высокая [3, 7, 11, 13, 14]. По спутниковым снимкам высокого пространственного разрешения Sentinel-2, которые были получены с сервиса Earth Explorer [15], в комбинации естественных цветов проводилась векторизация сельскохозяйственных угодий с последующим расчетом параметров.
Определение оптимального показателя защитной лесистости проводилось по сетке, соответствующей рекомендуемым параметрам размещения полезащитных и про-тивоэрозионных насаждений в агроландшафтах. Конструкция и параметры ЗЛН выбирались с учётом типа почвы и крутизны рельефа (Справочник агролесомелиоратора, 1984). Определение крутизны склонов на обрабатываемых полях выполнялось на основе данных SRTM 1 Arc-Second Global, полученных с сайта геологической службы США
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
[2, 8]. Для определения оптимального показателя защитной лесистости исследуемой территории использовалась формула с учетом размеров территории, количества полей, параметров лесонасаждений для данного типа почв [12]:
_ [(В/1+1)на] + [(Н/с+1)вь] Ь0ПТ " ' (1)
где SОПТ - оптимальная площадь защитной лесистости, га; В - продольная длина участка пашни, м; 1 - длина продольной лесной полосы, м; Н - поперечная длина участка пашни, м; а - ширина продольной лесной полосы, м; с - длина поперечной лесной полосы, м; Ь - ширина поперечной лесной полосы, м.
Степень защитной лесистости территории определялась по формуле, разработанной В. М. Ивониным [6]:
5зл=^*100%, (2)
где Sзлн - площадь ЗЛН, га; Soб - общая площадь территории, га.
Результаты и обсуждение. Дешифрирование территории показало, что на участке размещена 661 защитная лесная полоса, проектная площадь которой составляет 2762,9 га. Из них 50 лесных полос площадью 707,3 га занимают защитные лесные насаждения, которые относятся к государственным защитным лесным полосам. Для анализа современного состояния защитных лесных полос и определения существующей защитной лесистости территории площадь ГЗЛП исключалась, так как ее характеристики (ширина их кулис варьируется от 60 до 100 метров) отличаются от характеристик защитных лесных насаждений всего водосбора, для которого проводились исследования [4, 5]. На рисунке 1 показано расположение защитных лесных насаждений и сельскохозяйственных угодий исследуемой территории водосбора реки Цуцкан.
Рисунок 1 - Обзорная космокарта расположения объекта исследования
Figure 1 - Overview space map of the location of the object of study
302
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Анализ почвенной карты Волгоградской области (М 1 : 400 000) позволил сделать вывод о том, что водосбор расположен преимущественно на тёмно-каштановых почвах с разной степенью эрозионной деградации. На первом этапе с учетом преобладающего направления ветров, а именно юго-западного, установленной крутизны на каждом поле разрабатывается эскиз идеального расположения защитных лесных насаждений на территории исследования. После чего выделяются необрабатываемые участки (балки, овраги и др.), по контурам которых убираются участки оптимальной сетки.
В результате разработки эскиза по формуле 1 была рассчитана оптимальная площадь защитной лесистости, которая равна 2135,4 га. По формуле 2 определили оптимальный показатель защитной лесистости исследуемой территории, который равен 2,2 %. После определения оптимальных показателей была рассчитана существующая степень защитной лесистости исследуемого водосбора реки Цуцкан, которая равна 1,84 %, что показало необходимость дополнительной лесомелиорации.
Дешифрирование космоснимков показало, что на территории водосбора реки Цуцкан проектная площадь защитных лесных насаждений равна 2763,9 га. С помощью геоинформационной системы проектные площади ЗЛН были классифицированы по уровням сохранности. Установлено, что в настоящее время около 60 % от количества ЗЛН имеют очень высокую сохранность. Общая площадь сохранившихся защитных лесных насаждений равна 1777,7 га. Стоит отметить, что они имеют разные степени сохранности. Основываясь на анализе разработанной карты сохранности защитных лесных насаждений (рисунок 2), выявили, что 70 защитных лесных насаждений имеют очень низкую степень сохранности или выпали полностью. Низкую сохранность имеют 110 защитных лесных насаждений, и 85 насаждений имеют высокую степень сохранности.
Рисунок 2 - Космокарта сохранности зеленых лесных насаждений на территории исследования Figure 2 - Space map of the preservation of green forest plantations in the study area
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Полевой анализ насаждений подтвердил результаты проведенного исследования в камеральных условиях. На рисунке 3 продемонстрирована четырехрядная защитная лесополоса, которая состоит из двух ярусов. В первом ярусе - Груша обыкновенная (Pyrus communis L), Клён ясенелистный (Acer negundo L.), во втором ярусе расположился на опушке полосы Жостер (Rhamnus). Расстояние между рядами 3 м. Состояние насаждений хорошее, но в лесополосе зафиксированы усохшие деревья.
В результате анализа сохранности защитных лесных насаждений можно сделать вывод, что ЗЛН водосбора реки Цуцкан в настоящее время имеют высокую степень сохранности и выполняет свои защитные функции в зоне влияния, однако вне зоны влияния поля не защищены от деградации.
Выводы. Анализ пространственного размещения и сохранности защитных лесных насаждений на территории Донской гряды с использованием ГИС-технологий и аэрокосмических данных показал, что на тестовом полигоне размещена 661 защитная лесная полоса, проектная площадь которой составляет 2762,9 га. Государственной защитной лесной полосой «Пенза - Каменск», состоящей из 50 участков, занято 707,3 га. Территория тестового участка активно используется под выращивание сельскохозяйственной продукции, установлено, что 70 (11,5 %) лесных полос имеют очень низкую степень сохранности или выпали полностью. Низкую сохранность имеют 110 полос (18 %) и 85 (13,9 %) насаждений имеют высокую степень сохранности, 346 (56,6 %) лесных полос имеют очень высокую степень сохранности. Необходимо отметить, что полезащитные и противоэрозионные функции они выполняют только в зоне влияния, а сельскохозяйственные угодья, находящиеся вне зоны влияния, подвержены риску деградации при воздействии неблагоприятных факторов (сток, ветер). При этом важно учитывать, что существующая степень защитной лесистости исследуемой территории составляет 1,84 %, а оптимальная в существующих условиях функционирования агроландшафта должна быть 2,2 %. Установленная степень защитной лесистости показывает, что исследуемая территория водосбора реки Цуцкан нуждается в разработке системной лесомелиорации сельскохозяйственных угодий с учетом оптимального размещения насаждений по критерию предотвращения деградации почв как от дефляции, так и от водной эрозии.
Рисунок 3 - Фрагмент исследуемой защитной лесополосы Figure 3 - Fragment of the studied protective forest belt
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Библиографический список
1. Администрация Волгоградской области: https://ksh.volgograd.ru. Волгоград. https://ksh.volgograd.ru/current-activity/reports/.
2. Балынова В. В. Геоинформационный анализ параметров сохранности защитных лесных насаждений Котельниковского района Волгоградской области // Научно-агрономический журнал. 2022. № 4 (119). С. 66-71.
3. Вогель Д. К., Юферев В. Г. Оценка лесных насаждений Волго-Ахтубинской поймы на основе фотограмметрической обработки данных цифровой аэросъемки // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 3 (51). С. 203-209.
4. Выприцкий А. А. Сравнительный анализ сохранности водораздельных государственных защитных лесных полос Волгоградской области по данным Sentinel-2 NDVI и информационных продуктов типов земного покрова // ИнтерКарто. ИнтерГИС. 2022. Т. 28. № 1. С. 458-470.
5. Выприцкий А. А., Шинкаренко С. С. Анализ влияния почвенно-климатических условий на сохранность государственных защитных лесных полос на основе данных Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 147-163.
6. Ивонин В. М. Лесомелиорация ландшафтов. Лесные насаждения для улучшения функционирования, сохранения и рекультивации природно-антропогенных ландшафтов: учебник. Новочеркасск: ООО "Лик", 2018. 206 с.
7. Кулик К. Н., Кошелев А. В. Методическая основа агролесомелиоративной оценки защитных лесных насаждений по данным дистанционного мониторинга / К. Н. Кулик, А. В. Кошелев // Лесотехнический журнал. 2017. Т. 7. № 3 (27). С. 107-114.
8. Мелихова А. В. Пространственный анализ защитных лесных насаждений северной части Ергенинской возвышенности // Научно-агрономический журнал. 2022. № 3 (118). С. 43-48.
9. Стратегия развития защитного лесоразведения в Волгоградской области на период до 2025 года / К. Н. Кулик, А. Т. Барабанов, Ю. М. Жданов [и др.]. Волгоград: ФНЦ агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения РАН, 2017. 39 с.
10. Шинкаренко С. С., Барталев С. А., Васильченко А. А. Метод картографирования защитных лесных насаждений на основе разновременных спутниковых изображений высокого пространственного разрешения и бисезонного индекса леса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 207-222.
11. Юферев В. Г. Оценка деградации полезащитных лесных насаждений по материалам космосъемки // Научно-агрономический журнал. 2018. № 1 (102). С. 23-25.
12. Юферев В. Г., Дорохина З. П. Оценка структуры защитных лесных насаждений на орошаемых землях Сарпинской низменности // Лесное хозяйство. 2009. № 3. С. 23-24.
13. Analysis of the state of forest lands on Sakhalin Island / V. A. Melkiy, A. A. Verkhoturov, R. N. Sabirov, V. V. Bratkov // VestnikSevero-Vostochnogo federal'nogo universiteta im M K Ammosova. Seriya: Nauki o Zemle. 2019. No 2 (14). P. 68-73.
14. Sabirov R. N., Melkiy V. A., Verkhoturov A. A. Analysis transformation of forests of the Southern Sakhalin by remote sensing data using geoinformation technologies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Saint Petersburg, Virtual, 2021. P. 012027.
15. Usage Experience and Capabilities of the VEGA-Science System / E. A. Loupian [et al.] // Remote Sensing. 2022. Vol. 14. №. 1. P. 77.
Информация об авторе: Синельникова Ксения Павловна, младший научный сотрудник лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов ФНЦ агроэкологии РАН (РФ, 400062, г. Волгоград, пр. Университетский, 97), E-mail: sinelnikova-k@vfanc.ru, ORCID: 0000-0003-0778-1762.
