Метод лесоинвентаризации на ландшафтно-типологической основе с использованием материалов лазерного зондирования и космической съемки

Фарбер С.К.; Соколов В.А.; Данилин И.М.; Яцерук А.В.

УДК 630.625

С.К. Фарбер, В.А. Соколов, И.М. Данилин, А.В. Яцерук Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск

МЕТОД ЛЕСОИНВЕНТАРИЗАЦИИ НА ЛАНДШАФТНО-ТИПОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ

В последние годы наметились общие тенденции в исследованиях, связанных с разработкой новых подходов к инвентаризации лесных ресурсов: учет ландшафтно-географических особенностей изучаемых территорий, применение новейших технических средств дистанционного зондирования, снижение объемов натурных работ, внедрение в практику лесоустройства компьютерных технологий, позволяющих оперативно обрабатывать значительное количество информации.

Составной частью новых технологий геоинформатики является лазерное зондирование, применяемое для получения информации о геометрических параметрах поверхности земли, а также о любых наземных объектах. Лазерная съемка выполняется как самостоятельно, так и в комплексе с другими дистанционными технологиями, прежде всего с цифровой фото-, видео-, тепловой и спектрозональной съемками, а также наземными исследованиями на пробных площадях и полигонах.

Для съемки используется бортовая лазерная система топографического картографирования ALTM-1020 канадской фирмы Optech Inc. Система включает основные структурные компоненты, такие как высокочастотный инфракрасный лазерный высотомер (ИЛВ), приемник геопозицирования (GPS), инерциальная система. Расстояние фиксируется в двух режимах: до ближайших объектов; до поверхности земли. Расчеты параметров поверхности земли, лесного полога производятся специальными программными средствами, например, программой ALTEX OBSERVER. Растительность и топографическая поверхность в рабочем окне Altex представлены в виде плановой проекции и вертикального профиля, по которым в автоматическом или полуавтоматическом режиме могут производиться различные виды геометрических измерений.

Параметры съемки могут варьировать в зависимости от решаемых задач. Ширина снимаемой полосы местности зависит от угла сканирования лазерного дальномера и высоты полета. Скорость полета около 150 км/час, высота 200-400 м, частота излучения лазера 5000-20000 импульсов в секунду. Точность измерения геодезических координат наземных объектов равна 10-20 см, что достаточно для создания цифровой модели местности [1].

Лазерная съемка может выполняться как по всей площади объекта мониторинга, так и выборочно. В России предпочтительнее проводить выборочное лазерное зондирование вследствие ограниченности финансовых ресурсов и наличия значительных площадей обследования.

В общем виде ландшафтно-статистическая технология лесоинвентаризации предложенная С.К. Фарбером и др. [2] включает следующие блоки:

- Ландшафтно-типологическую классификацию насаждений;

- Геоинформационную систему, совмещающую данные

лесоинвентаризации с географическими координатами местности;

- Географо-математическую модель таксационных показателей древостоев.

Технология предназначена для устройства лесов, не затронутых и слабо затронутых хозяйственной деятельностью. Получение контуров лесотаксационных выделов и составление таксационной характеристики древостоев осуществляется в соответствии с лесоустроительной инструкцией применительно к III разряду лесоустройства.

Ландшафтно-типологическая классификация насаждений (природная основа) предназначена для разделения территории объекта лесоустройства на ландшафты и последующей их типизации. В пределах ландшафтов условия произрастания должны быть относительно однородны.

Формирование классификационной системы должно происходить непосредственно на дешифрируемых признаках строения рельефа местности и самого насаждения. Преимущество такого подхода заключается в максимальном повышении достоверности оценки единиц стратификации [3]. Дешифровочные признаки, достоверно позволяющие судить об однородности условий местопроизрастания, относятся к показателям рельефа (экспозиция, крутизна склона, высотные отметки местности, формы рельефа) и характеру гидрологической сети (наличие рек, ручьев, болот и их взаимоположение).

На сходных по местоположению участках могут произрастать различные породы деревьев. Поэтому для организации классификационной системы насаждений в качестве входа обязательно должен использоваться показатель строения древостоя - породный состав. Страты насаждений, однородные по условиям местопроизрастания и сходные по составу древостоя, называются типологическими группами. Их отличие от других систем в том, что они формируются на основе дешифрируемых показателей (местоположения и строения насаждений).

Варианты формирования типологических групп многочисленны и зависят от числа учитываемых факторов и силы их воздействия на условия местопроизрастания. Удобнее, чтобы число факторов было минимальным, и в то же время необходимо достаточно полное отражение особенностей насаждений. Организация типологических групп - это фактически создание жесткой основы, которую остается наполнить лесотаксационным содержанием.

Информационная система, сформированная на природной основе, преобразует лесоустройство в механизм слежения за состоянием лесного фонда. Описание принципов организации информационной системы картографирования лесов и наблюдения за их изменениями дается в работе Ю.А. Михалева, С.К. Фарбера и др. [4]. Предлагается сведения о прямых (функционально независимых) показателях накапливать по адресам основы, представляющей собой квадраты сети топографической карты. Такое построение автоматически стыкует информацию с географическими координатами.

Информационная система включает:

- Банк данных, сопряженный с географическими координатами;

- Пакет программ для обработки информации.

Картографической основой ГИС являются цифровые космические снимки с разрешением на местности 18 м и топографические карты местности М 1 : 25 000.

Специальными программами формируется сетка квадратов Гаусса -Крюгера, разбивающая поверхность слоя карты на ЭУП - элементарные учетные площадки (в масштабе карты - 1 : 25 000 сторона квадрата ЭУП равна 1.25 мм, на местности - 31.25 м). Устанавливается соответствие адреса ЭУП на карте и космическом снимке. По сути, на этом этапе банк данных уже сформирован. Далее его необходимо наполнить специальной лесоинвентаризационной информацией.

Информация представляется в виде качественных и количественных характеристик объекта изучения. Показатели древостоев подразделяются на независимые и производные. Независимые показатели определяются с помощью:

- Космических снимков (оптические характеристики ЭУП - значения яркостей пикселов спектральных зон съемки);

- Цифровых карт масштаба 1 : 25 000 (величины склонов, абсолютных высот и наименование местоположений);

- Материалов лазерного зондирования лесного покрова (таксационные показатели насаждения и параметры рельефа).

Значения независимых показателей накапливаются в банке данных ГИС по соответствующим адресам ЭУП. Сведения о производных показателях рассчитываются и далее выводятся на внешние устройства согласно алгоритмам законов их изменения в зависимости от прямых, их постоянное хранение не обязательно.

Географо-математическая модель предназначена для определения производных таксационных показателей древостоев. В рамках общей модели географическая - описывает распределение насаждений типологических групп по земной поверхности; математическая - объединяет закономерности изменения таксационных показателей древостоев.

Для функционально независимых таксационных показателей входами в систему, исходя из возможности и достоверности определения, выбраны:

- Типологическая группа;

- Средняя высота элемента леса;

- Средний диаметр крон по элементам леса;

- Количество деревьев на единицу площади по элементам леса.

Таким образом, в рамках математической модели закономерности

изменения простых таксационных показателей имеют общий вид:

P = f(h,C),

где: P - таксационный показатель древостоя; h- средняя высота элемента леса; Ci - количественный показатель условий местопроизрастания i-той типологической группы.

Количество аргументов уравнения постоянно. Обеспечение требуемой точности определения искомого таксационного показателя достигается за счёт возможности уточнения численного значения критерия Ci, как функции одного или нескольких аргументов, характеризующих условия местопроизрастания.

На основной части объекта лесоустройства информационное поле представлено только топографическими картами и космическими снимками. Материалы лазерного зондирования предназначены для получения выборочных таксационных данных. На их основе формируется обучающая выборка, представляющая собой систему уравнений, в которых будут взаимосвязаны оптические характеристики ЭУП с показателями - входами в географо-матема-тическую модель. С её помощью на основе цифровых космических снимков в среде ГИС в автоматическом режиме будет производиться определение искомой информации на объекте лесоинвентаризации.

Получение контуров лесотаксационных выделов, размеры которых отвечают разрядам лесоустройства, производится в результате сортировки ЭУП, в автоматическом режиме, после запроса (в виде ограничений) в систему ГИС.

Технология позволяет получить существенный экономический эффект. Стоимость проведения лесоинвентаризации на базе лазерного зондирования по укрупненным показателям (при расчете на 1 млн. га, по III разряду лесоустройства) составляет:

- Производство съемки с обработкой данных 585.0 тыс. руб.

- Оплата труда 342.0 тыс. руб.

- Прочие прямые расходы 200.0 тыс. руб.

- Накладные расходы 1127.0 тыс. руб.

Общая стоимость составляет 2254.0 тыс. руб.,

или 2.2 руб. на 1 га.

Использование специальных классификационных систем, производных от природной основы, применение новейших технических средств дистанционного зондирования, хранение полученной информации по адресам квадратов топографических карт позволяет:

- Автоматизировать изготовление планово-картографических материалов и расчет площадей учета;

- Обеспечить слежение за текущими изменениями в лесном фонде;

- Значительно увеличить разрыв между повторностями инвентаризаций;

- Выявить по стратам классификационной системы насаждений оптимальные хозяйственные мероприятия в течение цикла лесовыращивания;

- Обеспечить преемственность результатов инвентаризации (каждое следующее будет ограничиваться внесением текущих изменений по соответствующим адресам массивов данных, с расчетом новых таксационных показателей согласно зависимостям математической модели древостоев);

- Автоматизировать учет лесного фонда и составление проектов ведения лесного хозяйства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Данилин И.М. Лазерное профилирование лесного полога [Текст] / И.М. Данилин, Т. Сведа // Лесоведение. - 2001. - № 6. - С. 64-69.

2. Метод ландшафтно-статистической лесоинвентаризации на основе материалов космической съёмки и лазерного зондирования лесного покрова [Текст] / С.К. Фарбер и др. // Лесоведение. - 2003. - № 5. - С. 3-9.

3. Фарбер С. К. Классификация территории при лесоинвентаризации с использованием аэроснимков [Текст]/С.К. Фарбер, Ю.А. Михалев // Аэрокосмический мониторинг таежных лесов. - Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1990. - С. 28-30.

4. Михалев Ю.А. Единая информационная система картографирования лесов и наблюдения за их изменениями [Текст]/ Ю.А. Михалев и др. // Новые методы сбора и обработки информации при инвентаризации лесов. - М.: ВНИИЛМ, 1985. - С. 37-42.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Фарбер С. К., Соколов В. А., Данилин И. М., Яцерук А. В.