CC BY
21
УДК 528.7:630*273:502.13(470.45) DOI: 10.32786/2071-9485-2019-01-40
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНВАЗИВНЫХ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД НА ТЕРРИТОРИИ ВОЛГО-АХТУБИНСКОЙ ПОЙМЫ
GEOINFORMATION ASSESSMENT OF THE DISTRIBUTION OF INVASIVE WOOD BREEDS ON THE TERRITORY OF THE VOLGA-AKHTUBA FLOODPLAIN
В.Г. Юферев 1, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник Н.Н. Таранов 2, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
V.G. Yuferev, N.N. Taranov
ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексныхмелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград 2ФГБОУ «Волгоградский социально-педагогический университет»
1FSBSI «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences», Volgograd 2fsbihe « Volgograd Socio-Pedagogical University»
Для территории Волго-Ахтубинской поймы наличие биологических инвазий является одной из проблем, обусловленной активным вытеснением аборигенной растительности и изменением фитоценозов. Одним из наиболее агрессивных инвазивных видов является ясень пенсильванский (Fraxinus pennsylvanica Mash.). Уровень воздействия этой инвазии требует выявления ее ареалов и степени воздействия на окружающую среду. Решение задачи определения интенсивности инвазий на территории Волго-Ахтубинской поймы посредством геоинформационных технологий предусматривает дистанционную картографо-аэрокосмическую оценку лесных насаждений, картографирование ареалов инвазивных древесных пород, анализ разновременных аэрокосмоснимков и выявление пространственно-временных изменений площадей, занимаемых такими породами, а также выборочные полевые исследования тестовых участков с разработкой фотоэталонов инвазивных древесных пород. При проведении фенологических исследований при помощи беспилотного летательного аппарата выявлено, что массовое осеннее изменение цвета листвы ясеня пенсильванского (с преобладанием желтого цвета) в 2018 году в условиях Волго-Ахтубинской поймы прошло в третьей декаде сентября. Дешифрирование и выделение ареала ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) не вызвало трудностей, так как фенологическая фаза осеннего изменения цвета листвы у данного вида началась раньше, чем у соседствующей породы дуб черешчатый (Quercus robur L.). Гистограммный анализ аэроснимков дает возможность на изображении разделить группы пикселей по тону, рассчитать площади, занимаемые породами, а также экстраполировать полученные результаты на территории-аналоги.
For the territory of the Volga-Akhtuba floodplain, the presence of biological invasions is one of the problems that determines the active displacement of native vegetation and changes in phytoce-noses. One of the most aggressive invasive species is Pennsylvania ash (Fraxinus Pennsylvania Mash.). The level of impact of this invasion requires the identification of its areas and the degree of impact on the environment. The solution to the problem of determining the intensity of invasions in the Volga-Akhtuba floodplain, through geoinformation technologies, provides remote mapping and aerospace assessment of the forest plantations, mapping areas of invasive tree species, analysis of multi-temporal aerospace images and identification of spatial and temporal changes in the areas occupied by such species, as selective field studies of test sites with the development of photoetalons of invasive tree species. When conducting phenological studies using unmanned aerial vehicle revealed that the mass autumn color change of leaves of Pennsylvania ash (with a predominance of yellow) in 2108 year in the Volga-Akhtuba floodplain was held in the third decade of September. Interpretation and selection of the area of Pennsylvania ash (Fraxinus pennsylvanica Mash.) did not cause difficulties, as the phenological phase of the autumn foliage color change in this species began earlier than the neigh-
boring species of oak petiolate (Quercus robur). Histogram analysis of aerial images allows the image to divide groups of pixels by tone, calculate the area occupied by rocks, as well as extrapolate the results to similar territory.
Ключевые слова: фенологическая фаза, древостой, инвазии, инвазивные древесные породы, аэрокосмоснимки, гистограммы, пиксели, картографирование.
Key words: phenological phase, forest stand, invasion, aerospace image, histogram, pixel, mapping, analysis, estimation.
Введение. В Волго-Ахтубинской пойме леса сформировались в условиях дополнительного увлажнения паводковыми и грунтовыми водами. Естественные леса произрастают в северной части поймы. Здесь присутствуют кустарниковые виды ив (Salix acutifolia Willd., S. triandra L., S. viminalis L.), вязовые (Ulmus laevis Pall.) и дубовые (Quercus robur L.) леса. Граница распространения лесов проходит южнее села Ступино Черноярского района Астраханской области. Для территории Волго-Ахтубинской поймы одной из значительных проблем является наличие биологических инвазий. Биологические инвазии - это растения чужеродных видов, нуждающиеся в мероприятиях по сдерживанию дальнейшего роста их численности [1, 10].
Одним из наиболее опасных инвазивных видов является ясень пенсильванский (Fraxinus pennsylvanica Mash.). Это североамериканский вид на территории Волго-Ахтубинской поймы был введен в конце 20-х гг. XX в. [8]. Вплоть до 60-х гт. в Волго-Ахтубинской пойме лесные насаждения создавались в основном из ясеня. Ясень обладает высокой устойчивостью к затоплению, способен переносить длительное проточное затопление, продолжающееся около двух месяцев. По выносливости к длительности затопления ясень конкурирует с ветлой и только в условиях длительного застойного затопления на илистых почвах уступает ей. В условиях кратковременного затопления на сухих почвах ясень пенсильванский растет значительно хуже. В дельте Волги ясень произрастает на слабо- и среднезасоленных почвах, при этом к пятнадцати годам достигает высоты около 8 м. Прекрасно переносит паводки, в том числе и зимние, дает обильный самосев и подрост [8].
Серьезность и масштабность рассматриваемой проблемы требует выявления ареалов инвазий. Решение задачи по сдерживанию роста площади инвазий на территории Волго-Ахтубинской поймы с применением геоинформационных технологий предусматривает картографирование ареалов инвазивных древесных пород на основе разновременных аэрокосмоснимков. Традиционный подход с использованием наземных методов исследований трудоемок, требует больших материальных затрат и неэффективен в труднодоступных местах, особенно во время паводка.
Материалы и методы. Эффективное решение задач оценки, картографирования и прогнозирования площади распространения инвазивных видов - это система дистанционной картографо-аэрокосмической оценки лесных насаждений на основе геоинформационных технологий и выборочных полевых исследований тестовых участков с разработкой фотоэталонов инвазивных древесных пород.
Эталоном инвазивного вида может служить фотоизображение, полученное при контролируемых условиях съемки и известных характеристиках породного состава древостоя, которое позволяет определить основные прямые и косвенные дешифровоч-ные признаки. Важным этапом дешифрирования является сопоставление аэрокосмических и эталонных изображений лесных насаждений с целью выделения крон, совпадающих по тону, морфологии и контурам для экстраполяции характеристик эталонных объектов на исследуемые изображения [2, 5].
Фотоэталонирование крон инвазивных видов проводится при полевых исследованиях эталонируемых насаждений и при камеральных исследованиях по аэрокосмо-снимкам с разрешением до 3 м.
По результатам эталонирования определяют форму, контуры кроны, плотность и тон [9]. Получить такие данные по космоснимкам позволяет анализ распределения пикселей [11]. Далее при эталонировании определяются диапазоны фототона, соответствующие определенному состоянию кроны, и заносятся в таблицу.
Данные аэрокосмической съемки могут использоваться как фотоэталоны инвазивных насаждений или отдельных деревьев при съемке заранее изученного ключевого участка и позволяют работать с изображением как в режиме визуально-компьютерного дешифрирования, так и в автоматическом режиме посредством автоматизированного дешифрирования.
Экстраполяция эталонов, несомненно, должна учитывать зональность территорий исследования. А так как лесорастительные условия приурочены не только к зонам, но и к конкретным ландшафтам, то при дешифрировании важно учитывать различия в развитии лесных насаждений в них. Очевидно, что насаждения одинакового породного состава в различных климатических зонах отличаются своими таксационными характеристиками. Поэтому при эталонировании необходимо учитывать их место в ландшафте и зональные характеристики [7, 4]. Фотоэталонирование позволяет значительно ускорить процесс дешифрирования лесной растительности, а возможность возникновения ошибки свести к минимуму.
Наиболее эффективен метод фотоэталонирования во взаимосвязи с естественными изменениями, происходящими с лесной растительностью, а именно с фенологическими фазами.
Одним из ключевых направлений использования фенологии при оценке и картографировании ареалов инвазий является фенологическая индикация.
Сроки наступления выбранных фенологических фаз устанавливают в зависимости от целей фенологических наблюдений. В одних случаях учитывают только отдельные фазы - индикаторы сезонного развития природы или наиболее хозяйственно важные, такие как цветение, созревание плодов и семян, их распространение, в других, если нужно получить достаточно полное представление о фенологических особенностях растений, наблюдениями охватывают все основные фазы.
Для фенологической индикации лиственных пород по разновременным аэрокосмическим снимкам наиболее репрезентативна фаза расцвечивания и опадания листьев. Изменение окраски листвы на осенних снимках является дополнительным де-шифровочным признаком, в том числе для индикации инвазивных видов (рисунки 1, 2). В связи с этим идентификация инвазивных пород должна включать в себя наблюдения за фенологическим состоянием лесов с целью выбора оптимального времени съемки, которые могут осуществляться по изображениям, получаемым с космических аппаратов Sentinel [3] и WorldView [6] .
Результаты и обсуждение. Для проведения исследования распространения ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) был выбран участок «Сахарный» (N48°42'11"; E44°37'00"), где была проведена опытная посадка для проверки его интродукции в условиях Волго-Ахтубинской поймы. Географические данные о местах произрастания были получены в ходе наземных исследований, при проведении работ была выполнена пространственная привязка при помощи GPS - приемника Garmin, а полученные данные преобразованы в shape-файл (*.shp).
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (53, 2019
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 1 - Участок «Сахарный». Летний снимок
По результатам полевых исследований были разработаны фотоэталоны изображения ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.). Выявлено, что массовое осеннее изменение цвета листвы ясеня пенсильванского (с преобладанием желтого цвета) в 2018 году в условиях Волго-Ахтубинской поймы прошло в третьей декаде сентября. Для проведения съемки исследуемого участки в это время был использован беспилотный летательный аппарат - квадрокоптер Phantom.
Рисунок 2 - Участок «Сахарный». Осенний снимок
Дешифрирование и выделение ареала ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) не вызвало трудностей, так как фенологическая фаза осеннего изменения цвета листвы у данного вида началась раньше, чем у соседствующей породы дуб черешчатый (Quercus robur L.).
На аэроснимке (рисунок 3) очевидно проявляется разница в наступлении фенологической фазы у лиственных пород.
По гистограмме распределения пикселей для ясеня пенсильванского установлено среднее значение тона 136 единиц, стандартное отклонение 83, для дуба черешчато-го среднее значение тона 98 единиц, стандартное отклонение 49. Отсюда следует, что
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
№ 1 (53) 2019
гистограммный анализ дает возможность на снимке разделить группы пикселей по тону, рассчитать площади, занимаемые породами, а также экстраполировать полученные результаты на аналогичные аэроснимки.
В результате эталонирования и дешифрирования разработан геоинформационный картографический слой ареала ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) на участке «Сахарный», где были выявлены очаги инвазии (рисунок 4).
Рисунок 3 - Фенологическая индикация по аэроснимку: ясень пенсильванский (1) и дуб черешчатого (2)
граница участка «Сахарный» -I- ареалы ясеня пенсильванского
Рисунок 4 - Геоинформационный картографический слой «ареалы ясеня пенсильванского». Участок «Сахарный»
Обработка результатов исследования показала, что на территории ключевого участка площадью 72,2 га площадь, занятая инвазивным видом, составляет 12,5 га, что чуть больше 17 %.
Заключение. Таким образом, фенологические признаки, базирующиеся на различиях в развитии растений, проявляются в ходе их развития, как, например, в осенний период изменение окраски листьев лиственных пород является прямым дешифровоч-ным признаком и позволяет выявлять породный и видовой состав древесной растительности. Осенние аэрокосмоснимки отчетливо передают существующие в этот сезон года различия в цветовой окраске крон деревьев.
Использование фенологических индикаторов для дешифрирования цифровых аэроснимков БПЛА в сочетании с их аналитической классификацией в специализированных и геоинформационных программных комплексах обеспечивает высокую эффективность дистанционной оценки пойменных ландшафтов, выявление и распространение инвазивных видов, определение изменения площадей занятых ими участков, а также возможность применения точных координатных мер по борьбе с нежелательными инвазиями.
Библиографический список
1. Антропогенное загрязнение биоты и концепция биоценотических кризисов: К постановке проблемы [Текст] / Е. А. Шварц, Е. А. Белоновская, И. П. Второв и др. // Известия РАН. Серия географическая. - 1993. - № 5. - С. 40-52.
2. Виноградов, Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем [Текст] / Б.В. Виноградов. -М.: Наука, 1984. - С. 79.
3. Дворкин, Б.А. Европейская программа GMES и перспективная группировка спутников ДЗЗ Sentinel [Текст] /Б.А. Дворкин // Геоматика. - 2011. - №3(12). - С. 14-26.
4. Зайцев, Г.Н. Фенология древесных растений [Текст] / Г.Н. Зайцев. - М.: Наука, 1981. - 120 с.
5. Кулик, К. Н. Картографо-аэрокосмический мониторинг ландшафтов [Текст] / К. Н. Кулик, А. С. Рулев, В. Г. Юферев // Мат. круг. стола. - г. Волгоград, 30 марта 2004 г. / ВолГУ. -Волгоград, 2004. - С. 215-219.
6. Кавайяс, Ф. Инвентаризация городских зеленых насаждений и их мониторинг с использованием данных WorldView-2 [Текст]/ Ф. Кавайяс, Ю. Рамос, А. Бойе // Геоматика. -№3(12). - 2011. - С. 67-73.
7. Розно, С.А. Итоги интродукции древесных растений в лесостепи Среднего Поволжья [Текст] / С.А. Розно, Л.М. Кавеленова. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2007. - 228 с.
8. Русакова, Е.Г. Основные древесные породы фонда Астраханской области /[Текст] Е.Г. Русакова, М.В. Заболотная // Естественные науки. - 2011. - № 1 (34). - С. 22-51.
9. Юферев, В.Г. Геоинформационные технологии в агролесомелиорации [Текст] / В.Г. Юферев К Н. Кулик, А С. Рулев. - Волгоград: Изд-во ВНИАЛ-МИ, 2010. - 102 с.
10. Pernar, R. Estimating stand density and condition with the use of picture histograms and visual interpretation of digital orhtophotos [Текст]/ R. Pernar, D. Klobucar // Annales experimentis silvarum culturae provehendis. V. 40 / Zagreb: Universitas studiorum Zagrebiensis, Facultas forestalis. - 2003. - P. 81-111.
11. A Cartagena Protocol on Biosafety to the Convention on Biological Diversity Montreal [Текст]. - 29 January 2000 United Nations, Treaty Series. - Vol. 2226. - P. 208.
Reference
1. Antropogennoe zagryaznenie bioty i koncepciya biocenoticheskih krizisov: K postanovke problemy [Tekst] / E. A. Shvarc, E. A. Belonovskaya, I. P. Vtorov i dr. // Izvestiya RAN. Seriya geo-graficheskaya. - 1993. - № 5. - Р. 40-52.
2. Vinogradov, B. V. Ajirokosmicheskij monitoring jekosistem [Tekst] / B. V. Vinogradov. -M.: Nauka, 1984. - P. 79.
3. Dvorkin, B. A. Evropejskaya programma GMES i perspektivnaya gruppirovka sputnikov DZZ Sentinel [Tekst] /B. A. Dvorkin // Geomatika. - 2011. - №3(12). - P. 14-26.
4. Zajcev, G. N. Fenologiya drevesnyh rastenij [Tekst] / G. N. Zajcev. - M.: Nauka, 1981. - 120 p.
5. Kulik, K. N. Kartografo-a]rokosmicheskij monitoring landshaftov [Tekst] / K. N. Kulik, A. S. Rulev, V. G. Yuferev // Mat. krug. stola. - g. Volgograd, 30 marta 2004 g. / VolGU. - Volgograd, 2004. - P. 215-219.
6. Kavajyas, F. Inventarizaciya gorodskih zelenyh nasazhdenij i ih monitoring s ispol'zovaniem dannyh WorldView-2 [Tekst]/ F. Kavajyas, Yu. Ramos, A. Boje // Geomatika. -№3(12). - 2011. - P. 67-73.
7. Rozno, S. A. Itogi introdukcii drevesnyh rastenij v lesostepi Srednego Povolzh'ya [Tekst] / S. A. Rozno, L. M. Kavelenova. - Samara: Izd-vo "Samarskij universitet", 2007. - 228 p.
8. Rusakova, E. G. Osnovnye drevesnye porody fonda Astrahanskoj oblasti /[Tekst] E. G. Ru-sakova, M. V. Zabolotnaya // Estestvennye nauki. - 2011. - № 1 (34). - P. 22-51.
9. Yuferev, V. G. Geoinformacionnye tehnologii v agrolesomelioracii [Tekst] / V. G. Yuferev K. N. Kulik, A. S. Rulev. - Volgograd: Izd-vo VNIAL-MI, 2010. - 102 p.
10. Pernar, R. Estimating stand density and condition with the use of picture histograms and visual interpretation of digital orhtophotos [Tekst]/ R. Pernar, D. Klobucar // Annales experimentis silvarum culturae provehendis. V. 40 / Zagreb: Universitas studiorum Zagrebiensis, Facultas forestalis. - 2003. - P. 81-111.
11. A Cartagena Protocol on Biosafety to the Convention on Biological Diversity Montreal [Tekst]. - 29 January 2000 United Nations, Treaty Series. - Vol. 2226. - P. 208.
E-mail: vyuferev1@rambler.ru
УДК 631.6:004.9 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-01-41
ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КАК ФАКТОР КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕЛИОРАТИВНОГО СЕКТОРА ЭКОНОМИКИ
DIGITAL TECHNOLOGIES AS FACTOR OF THE COMPETITIVE ABILITY OF ENTERPRISES OF THE MELIORATIVE SECTOR OF THE ECONOMY И.Ф. Юрченко, доктор технических наук, главный научный сотрудник
I.F. Yurchenko
Всероссийский научно - исследовательский институт гидротехники и мелиорации
имени А. Н. Костякова, Москва
All - Russian research Institute of hydraulic engineering and land reclamation named after A. N. Kostyakov, Moscow
В период становления отечественной цифровой экономики информатизация производства рассматривается в качестве важнейшего резерва конкурентоспособности предприятия наряду с материально-техническими, финансовыми, трудовыми и пр. ресурсами. Цель работы -обоснование принципов формирования информационных цифровых систем и механизмов функционирования информационных цифровых технологий в бизнес-процессах хозяйствующих субъектов мелиоративного водохозяйственного комплекса для роста конкурентоспособности последних. В исследовании использовались системный подход, анализ, синтез, а также обобщение мировых тенденций, отечественной и зарубежной теории и практики взаимодействия цифровых технологий и бизнеса. Показано, что цифровая инфраструктура сферы мелиорации не отвечает уровню автоматизирования управления и роста области применения цифровых систем, достигнутых в развитых секторах экономики страны и за ее рубежом. Охарактеризованы факторы конкурентоспособности хозяйствующего субъекта, успешно реализуемые при поддержке управленческих решений цифровыми системами. Выявлено влияние инновационных цифровых технологий на стратегическое развитие бизнес-структур и в рамках занимаемой ниши и сложившегося позиционирования предприятия. Рассмотрены причины неудовлетворительного внедрения высокотехнологичных инноваций предприятиями традиционных отраслей промышленности. Установлено, что трансфер цифровых технологий из высокотехнологичного сектора производства в низкотехнологичный является важным условием роста конкурентоспособности как традиционного, так и высокотехнологичного секторов экономики.
In the period of the national digital economy formation, the computerization in the sphere of production is considered as the most important reserve of competitiveness of the enterprise along with material and technical, financial, labor, resources etc. The purpose of the research is to substantiate the principles of
