CC BY
82
УДК 630*584
В.П. Черкашин, М.А. Корец ИЛ СО РАН, Красноярск
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИС «ЛЕСА СРЕДНЕЙ СИБИРИ»
Постепенное накопление пространственных данных и опыт их для поддержки различных задач лесного мониторинга и устойчивого экосистемного управлений позволили сформировать многоуровневую региональную ГИС «Леса Средней Сибири» (ГИС ЛСС), целевая ориентация, структура, уровни организации которой были определены в 1980 - 2004 гг. в работах сотрудников лаборатории мониторинга леса ИЛ СО РАН.
В функциональном отношении ГИС включает пять подсистем.
1. Контроль за динамикой нарушенности лесного покрова, хозяйственной деятельностью в лесу и состоянием лесовосстановительных сукцессий.
2. Оценка техногенных воздействий на леса.
3. Энтомологиче ский мониторинг.
4. Контроль за лесными пожарами.
5. Оценка экологических функций лесного покрова.
Выделены три основных пространственных уровня ГИС (региональный, субрегиональный и локальный), для которых формируются соответствующие базы данных и разрабатываются методы использования геоинформационных технологий при решении задач устойчивого управления лесами на примере отдельных лесхозов, лесопромышленных зон и в целом края, мониторинга лесных территорий, информационной поддержки исследований биосферных функций лесных экосистем.
К основным результатам работ в области развития ГИС-технологий в 1990-2004 гг. можно отнести в следующие.
На региональном уровне - это формирование пространственной и атрибутивной баз данных на основе мелкомасштабных карт общего и тематического назначения: топооснов М 1 : 1 000 000 и М 1 : 500 000, карты нарушенности лесов антропогенными и естественными факторами, карт лесов, почв, ландшафтов, оригинальных картосхем районирования недревесных ресурсов, лесорастительного, лесохозяйственного, лесоэкономического, лесозащитного районирования, распределения запасов углерода на уровне лесорастительных таксонов. Особо следует выделить издание в 2003-2004 гг. карт «Районы массового размножения сибирского шелкопряда в лесах Приенисейской Сибири» (М 1 : 1 800 000) и «Районы массового размножения насекомых - филофагов в лесах Приенисейской Сибири» (М 1 : 2 250 000), Компонент 2 Проекта «Форест»). Следует отметить, что цифровые лесопатологические карты в средствах ГИС созданы на территорию республики Бурятия, Хабаровского края, Томской области, о. Сахалин. Каждая из них содержит для лесопатологических районов пространственную и атрибутивную информацию о биоклиматических и лесорастительных характеристиках, об активности и вредоносности
насекомых, интенсивности массовых размножений, площадях кормовых пород деревьев для основных видов насекомых - вредителей леса. Опыт создания карт используется Службой защиты леса МПР при реализации программы лесозащитного районирования территории РФ.
Разработана методика составления карт разных масштабов (от М 1 : 500 000 до М 1 : 50 000) по цифровым космическим сканерным изображениям высокого разрешения (15 м на пиксель) Landsat-7 ЕТМ+ при наличии вспомогательной информации, представленной в различных формах: данных лесоустройства в форме ГИС, растровых картосхем лесхозов без атрибутивной информации, тематических карт прошлых лет. На основе анализа ансамбля космических изображений составлена карта лесной растительности и фотокарта - мозаика, представляющая собой естественную карту юга Красноярского края. По результатам анализа сводных данных лесного фонда лесхозов Красноярского края по состоянию на 1 января 1998 года и расчетов общих и средних запасов углерода в древостоях, дифференцированных по преобладающей породе и группам классов возраста, сформирована база данных о распределении запасов углерода (методика В.А. Алексеева, Санкт-Петербургский Лесной Экологический Центр). На основе сопряженного анализа новой карты растительности, картосхемы лесхозов и данных по углероду составлены карты распределения общих и средних запасов углерода в древостоях для территории в зоне возможных вспышек численности сибирского шелкопряда в Красноярском крае (ниже 60 град.С.Ш.).
Субрегиональный уровень ГИС содержит слои пространственных данных о лесном фонде М 1:500000 (преобладающая и сопутствующая породы деревьев, группы классов возраста, группа запасов, класс бонитета), типах леса, ландшафтной структуре, горимости и нарушенности лесов пожарами, природной пожарной опасности, топооснову М 1 : 200 000.
На локальном уровне впервые в России с 1994 года в Большемуртинском лесхозе Красноярского края реализованы в форме компонент ГИС оригинальные методические разработки сотрудников ИЛ СО РАН по всем направлениям лесохозяйственной деятельности лесхоза. Несмотря на интенсивное развитие и широкое распространение ГИС в лесоустройстве, эта система имеет ряд структурных и функциональных особенностей, которые были заложены сразу при ее формировании:
1. Ландшафтный метод и стратегия альтернативного зонирования территории по бассейнам рек;
2. Использование цифровой модели рельефа М 1 : 50 000 как источника оценки важных экологических факторов;
3. Максимальная реализация возможностей ГИС технологий при формировании новых видов печатной картографической продукции;
4. Применение цифровых стереоизображений и ДДЗ высокого разрешения для оценки состояния и динамик лесного фонда и компонент экосистем;
5. Интеграция с ГИС методов многомерного анализа данных и математических моделей сукцессионных процессов лесных экосистем, роста и продуктивности древостоев.
Подобные методические и технологические разработки только сейчас начинают применяться в лесной науке и практике лесного хозяйства.
Реализованы в форме векторных покрытий: информационно -
справочные модели по рубкам главного пользования и рубкам ухода; оригинальные разработки ИЛ СО РАН по оценке на основе материалов лесоустройства природной пожарной опасности на территории лесхоза и пожарной устойчивости насаждений; оценки недревесных ресурсов и оптимальности местообитаний диких животных.
Разработан алгоритм автоматизированной систематизации лесорастительных условий на основе цифровой модели рельефа (ЦМР). На локальном уровне выявлены пространственные закономерности динамики растительности на ключевых участках в северной тайге и южной тайге, построены электронные карты типов лесорастительных условий и динамики растительности. Для восстановительных рядов показаны тенденции динамики древесных запасов насаждений в ходе сукцессий в разных типах лесорастительных условий. Разработаны методы оценки по ДДЗ и ЦМР пригодности лесорастительных условий для выращивания искусственных фитоценозов по целевому назначению, породному составу, производительности и продуктивности.
На территориях тестовых лесхозов, расположенных в районах возможных вспышек численности популяции сибирского шелкопряда, по комплексу экологических характеристик выделены насаждения с различным риском возникновения вспышки. Созданные с использованием ГИС технологий крупномасштабные карты позволяют оптимизировать расположение учетных площадей при энтомологическом мониторинге, приурочив их к местам вероятного возникновения первичных очагов вредителя.
На реальных данных о зонах поражения насаждений сибирским шелкопрядом в период вспышки его численности 1992-1997 гг. проверен алгоритм автоматизированной актуализации в средствах ГИС данных базового лесоустройства 1992 г. Усольского лесхоза по результатам обработки аэро- и космических изображений пораженных площадей в 1995-1996 гг.
Банк данных Landsat содержит более 100 изображений разных лет и сезонов съемки, причем на территорию интенсивных антропогенных и биотических повреждений (южнее 60° с. ш.) сформированы сплошные покрытия, что позволяет использовать этот вид информации при реализации принципов мониторинга и экосистемного управления на всех пространственных уровнях.
Перспективы. Благодаря энергичной поддержке проекта «ФОРЕСТ» блок энтомологического мониторинга сейчас оказался наиболее обеспечен данными всех пространственных уровней и, как следствие, полученными результатами. Состояние работ в этой области таково, что явно
обнаруживается возможность научиться давать оценку вероятности возникновения вспышек численности шелкопряда, используя актуальные карты лесов, многолетние данные наблюдений с метеоспутников NOAA, TERRA в комплексе с данными радарной съемки.
В связи с возрастающей доступностью ДДЗ детального (<20 м) разрешения, не трудно предсказать повышение значимости текстурных и морфологических признаков дешифрирования полога насаждений, которые ранее эффективно применялись при цифровом и визуальном анализе аэроснимков. Сейчас появляется возможность не производить мелкомасштабные, грубые лесные карты по не метрическим данным метеоспутников, а получать адекватный масштаб с помощью генерализации детальной информации, корректно используя в комплексе с другими видами съемки данные стереоскопического и лазерного зондирования.
Следуя мировой тенденции применять ДДЗ не только для фиксации изменений в природной среде, но и для их предвидения, развитие ГИС ЛСС предусматривается в направлении интеграции ее с ДДЗ и с индивидуально -ориентированными системами моделей продукционных процессов и циклов элементов в лесных экосистемах. В частности, предстоит серьезное изучение возможностей адаптации для сибирских лесов семейства имитационных моделей роста и продуктивности Forest Vegetation Simulator (FVS), моделей процессов, управляемых климатом Bio-Geochemical Cycles (BGC), ландшафтной экосистемой инвентаризации лесов (LEIS - Landscape Ecosystem Inventory System).
Красноярский край входит в число пилотных регионов Проекта МБРР по устойчивому лесопользованию, в котором важной задачей является системное развитие лесоустроительного проектирования и лесоинвентаризации с применением цифровых ДДЗ согласно современными требованиям к информационному обеспечению устойчивого управления лесами. Опыт развития ГИС ЛСС, состав баз данных, оригинальные методы обработки ДДЗ будут применяться в совместных работах ИЛ СО РАН и ФГУП «ВОСТСИБЛЕСПРОЕКТ» при выполнении технических заданий по соответствующим разделам Проекта.
В развитых системах программного обеспечения ГИС гидрологические модели на основе ЦМР представляют собой мощное средство решения экологических задач. Этот блок в ГИС ЛСС был необоснованно слабо развит на всех пространственных уровнях. Работы по исследованию гидрологических функций лесов в средствах ГИС сейчас интенсивно развиваются. В частности, тестируются различные алгоритмы определения оптимальных экологически обоснованных размеров защитных водопоглотительных полос на основе эмпирических связей их с параметрами рельефа и почвенными условиями для различных географических условий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Плешиков Ф.И. Геоинформационные технологии в решении задач оценки экологического состояния лесов [Текст] / Ф.И. Плешиков, В.П. Черкашин //Сибирский эколог. Журн. - 1998. - № 1. - С. 11-18.
2. Skydin V.M., Cherkashin V.P. Forest inventory and management in Central Siberia. // An International Conference on the Inventory and Monitoring of Forested Ecosystems. 17-21 August, 1998, Boise, p.81.
3. Вараксин Г.С. Выделение типов лесорастительных условий при искуссвенном лесовозобновлении [Текст] / В.П. Черкашин, И.А. Михайлова// Сиб. эколог. журн. - 2005. - № 1. -С. 67-77.
4. Рыжкова В.А. Оценка современного состояния, восстановительной динамики и биоразнообразия лесных экосистем на основе ГИС [Текст] / В.А. Рыжкова, М.А. Корец,
B.П. Черкашин // Сиб. эколог. журн. - 2004. - № 5. - С. 745-755.
5. Черкашин В.П. Результаты развития ГИС «Леса Средней Сибири» [Текст] / В.П. Черкашин, М.А. Корец // Структурно-функционал. орг. и динамика лесов. Материалы Всерос. конф., 1-3 сентября 2004 г. - Красноярск, 2004. - С. 383-387.
6. Корец М.А. ГИС-технологии как инструмент выделения защитных лесов [Текст] / М.А. Корец, А.А. Онучин // Структурно-функционал. орг. и динамика лесов. Материалы Всерос. конф., 1-3 сент. 2004 г. - Красноярск, 2004. С. 438-440.
7. V.A. Ryzhkova, M.A. Korets, V.P. Cherkashin Estimation of Forest Current State and Dynamics Using GIS. Climate Disturbance Interactions in Boreal Forest Ecosystems. IBFRA 12th Annual Scientific Conference. 3-6 May 2004, Fairbanks, Alaska, USA. P. 169.
8. Корец М.А. Методы индикации экологических характеристик лесных территорий по данным со спутника «Ресурс-О1» с использованием ГИС [Текст] / М.А. Корец, В.П. Черкашин, В.А. Рыжкова // Исслед. Земли из космоса. - 2000. - № 5. - С. 1-8.
9. Геоинформационные системы в прогнозировании и контроле массового размножения лесных насекомых [Текст] / А.С. Исаев и др. // Лесоведение - 1999. - № 5, С. 19-23.
10. Корец М.А. Методика комбинированного анализа в ГИС лесоинвентаризационных и спутниковых данных для оценки качественных и количественных признаков лесных территорий [Текст] / М.А. Корец, В.П. Черкашин, Ф.И. Плешиков // Аэрокосм. методы и геоинформ. технологии в лесоведении и лесном хоз.: Докл. III Всерос. конф., посвящ. памяти Бориса Георгиевича Самойловича. - М., ЦЭПЛ РАН, 2002. - С. 272-275.
11. Актуализация лесного фонда в средствах ГИС [Текст] /В.П. Черкашин и др. // Материалы второго всерос. совещ. "Аэрокосм. методы и геоинформ. системы в лесоведении и лесном хоз.", Москва, Россия, 18-19 нояб. 1998 г. - М.: ЦЭПЛ РАН, 1998. -
C. 99-101.
© В.П. Черкашин, М.А. Корец, 2005
