CC BY
13
УДК 630*187
МЕТОДИКА ФОРМАЛИЗАЦИИ ПРИРОДНОЙ ОСНОВЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
С.К. Фарбер, Е.В. Федотова, Н.Н. Сычев
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН 660036 Красноярск, Академгородок, 50, стр. 28; e-mail: institute@forest.akadem.ru
Для организации и ведения лесного мониторинга на арендных территориях лесозаготовительных предприятий При-ангарья предлагается методика компьютерной формализации природной основы. Контурное дешифрирование производится на основе векторного слоя изолиний рельефа, в автоматическом режиме и использованием инструментария ГИС. В качестве критериев для формализации используются уклоны и абсолютные высоты местности.
Ключевые слова контурное дешифрирование, тип леса, ландшафт, природная основа, уклон, абсолютная высота
For forest monitoring organization and implementation on the lease territories of logging business in Priangarye region the method of natural base computer formalization is suggested. Contour interpretation is performed on the base of altitudes isolines vector layer in automatic regime usig GIS instrument. As formalization criteria slopes and true altitude are used.
Key words: contour interpretation, forest type, landscape, natural base, slope, true altitude
ВВЕДЕНИЕ
Пространственное распределение насаждений лесотаксационных выделов не хаотично, а подчинено закономерной смене лесорастительных условий, производных от геоморфологии местности и гидрологического режима почв. В местоположениях, объединенных по признаку однородности лесорастительных условий, будут произрастать однотипные насаждения (Фарбер, 1989; 1997). Вариация таксационных показателей насаждений здесь минимальна, что позволяет выйти на лучшие результаты точности их оценок. Формализация природной основы есть выделение таксономических единиц местности, однородных по лесорастительным условиям. Природная основа позволяет планировать лесохозяйственные мероприятия, а также решать вопросы, связанные с управлением арендными территориями, которое при этом получает необходимое научное обоснование.
Состояние вопроса.
Лесная наука имеет в арсенале различающиеся подходы к формированию природной основы -ландшафтный и типологический.
Ландшафтный подход. А. Г. Исаченко
(1991) определяет ландшафт как генетически единую геосистему, однородную по зональным и азональным признакам и заключающую в себе специфический набор сопряженных локальных геосистем. Следует, однако, помнить, что ланд-шафтоведение не относится к точным наукам.
В.Н. Сукачев (1972) обращает внимание на то, что общепризнанного понимания, что есть ландшафт, до сих пор не выработано. Поэтому некоторые зачастую важнейшие понятия, выводы и решения трактуются неоднозначно. Например, Д.Л. Арманд (1975) утверждает, что низшей границы районирования не существует; Э. Нееф (1974) считает, что понятия и определения ландшафта, которые предусматривают для него за-
данную величину, не могут рассматриваться как объективные.
Ландшафтоведение входит в систему физикогеографических наук в качестве их обобщающего начала, ландшафтный подход при этом предполагает изучение климата, почвы и других компонентов как структурных частей природногеографического комплекса. Таким образом, имеется с одной стороны очевидное системообразующее начало, заложенное в ландшафтом подходе, которое явно способствует упорядочиванию знания об объекте изучения (в том числе знания о лесе). С другой стороны имеется неоднозначность толкования иерархических таксономических единиц, размытость критериев, определяющих ландшафтные построения, которые ведут к субъективности и неоднозначности конечного результата.
Типологический подход. По Г.Ф. Морозову (1970) в основу классификации насаждений должны быть положены все важнейшие лесооб-разователи: климат, почвенно-геологические условия, рельеф, лесоводственные свойства пород, вмешательство человека. Разнообразие факторов среды, неоднозначность их влияния на рост и развитие растений определяют многовариантность типологических классификаций. В Сибири при инвентаризации лесов используется схема типов леса В. Н. Сукачева. Полагаем, что будущее за генетической схемой типов леса, которая обоснована в многочисленных работах Б. П. Колесникова (1955, 1973, 1977 и др.) и его последователей (Попов 1972 и др.; Смолоногов, 1991). Генетическая классификация динамична и позволяет определять для лесных участков коренные формации, этапы их восстановительновозрастной трансформации (Фильрозе, 1991).
Типы леса устанавливаются по диагностическим признакам, объединенным в схемы по отдельным лесорастительным районам. Главными диагностическими признаками типа леса являют-
ся почвенно-грунтовые условия, травянистые растения, древесные породы и кустарники. Для не покрытых лесом земель тип леса определяется по лесорастительным условиям и примыкающим насаждениям. При инвентаризации лесов в характеристике насаждения типу леса не придается ведущего значения. Организация хозяйства по типам леса лесоустроительной инструкцией вообще не предусмотрена. Лесоустройство игнорирует лесотипологические классификации для целей организации лесного хозяйства из-за их неопределенности и субъективности. Препятствием применению типов леса является их многочисленность. При производственной таксации отнесение насаждения к типу леса носит формальный характер. Затруднения вызывает непостоянство типов леса. При повторном лесоустройстве типы леса на участках меняются. Более того, меняются и сами типологические схемы. Н. А. Моисеев (1980) оценивает лесную типологию как оторванную от прямых хозяйственных нужд. Таким образом, типологическим построениям также присущи неоднозначность толкования таксономических единиц и размытость критериев, что имеет следствием субъективность и неоднозначность оценки типа леса для насаждения лесотаксационного выдела.
МЕТОДИКА ФОРМАЛИЗАЦИИ
ПРИРОДНОЙ ОСНОВЫ
Выбор подхода к формализации природной основы. В качестве исходных материалов служат тематические, в том числе топографические, карты и аэрокосмические снимки. Требуется выполнить контурное дешифрирование, т. е. разграничение арендной территории на участки, различающиеся по лесорастительным условиям.
В.И. Сухих (1999) различает три варианта технологии контурного дешифрирования:
- визуальное (глазомерное, аналитическое);
- измерительное, автоматическое (машинное);
- аналитико-измерительное (интерактивное).
При визуальной технологии изучаемый объект характеризуют на основе глазомерного анализа его изображения на аэро- или космическом снимке, анализа лесотаксационной информации и тематических (лесных, почвенных, геоморфологических и др.) карт.
При измерительной технологии характеристики природной основы измеряют на снимках и тематических картах с помощью приборов, устройств и систем.
При аналитико-измерительном дешифрировании сочетают визуально-логический анализ изображения с измерением параметров природной основы. Визуальные методы анализа информации имеют качественный, эвристический характер. Результаты использования визуальных методов субъективны. Использование машинных технологий позволяет формализовать показатели
природной основы в цифровую форму. Результаты использования машинных методов объективны.
Разработчикам природной основы предоставляется право выбора технологии контурного дешифрирования. Согласно изложенным выше позициям для формализации природной основы -это выбор ландшафтного или типологического подходов. Предоставляется также выбор способа формирования природной основы, а именно -субъективный, основанный на анализе лесотаксационной информации и тематических карт, и объективный - использующий возможности компьютерных программных средств, с помощью которых по задаваемым параметрам (характеристикам) местности в автоматическом режиме можно выделять ландшафты и далее их типизировать в страты.
Поскольку каждый ландшафт несет черты индивидуальности, следует согласиться, что природную основу методически правильно формировать на принципах ландшафтного подхода. Одновременно необходимо понимать, что для цели ведения лесного хозяйства (системы рубок леса, составляющие комплекс лесохозяйственных мероприятий) в лесах Приангарья, где лесоустройство проведено методом классов возраста, типизация насаждений обязательна. Полагаем поэтому, что природная основа должна формироваться с использованием ландшафтных принципов, что не исключает дальнейшей типизации произрастающих на арендной территории насаждений.
Авторы статьи с уважением относятся к ландшафтоведам и лесным типологам, разрабатывающим свои тематические продукты на основе анализа доступной информации и собственного опыта. При этом очевидно, что получаемые результаты включают не только научную компоненту, но и элементы «искусства», которые неизбежно вносят значимую долю субъективности. Научная и практическая значимость итогового продукта зависит от таланта разработчиков и не может быть повторена другими исполнителями. С помощью инструментария геоинформационных систем (ГИС) достаточно просто создаются информационные слои различной тематики и производится анализ структуры земной поверхности. Полагаем поэтому, что на современном этапе при наличии разработанной теории ландшафтных и типологических построений, а также мощного инструментария ГИС и программных продуктов ГИС-технологий формализацию природной основы следует производить с использованием компьютерной техники. Вариант автоматического дешифрирования контуров природной основы излагается ниже.
Методика. Формализация природной основы производится в пределах территории, характеризуемой однородным климатом, направлением процесса денудации и почвообразования, сходными геоморфологическими показателями, гидрологическим режимом и представленностью
лесообразующих пород. Такие условия выдерживаются на территории по площади сравнимой с физико-географическим районом (Исаченко, 1991) или площади субэкорегиона (Фарбер, 2000).
По С.К. Фарберу, Ю.А. Михалеву (1993) в качестве входов в природную основу выбираются экологические факторы, обладающие наибольшим влиянием на лесообразовательный процесс. Условия произрастания зависят, главным образом, от микроклимата, почвенного строения и водоснабжения (гидрологического режима).
Микроклимат определяется, главным образом, геоморфологическими показателями - гипсометрическим уровнем и экспозицией.
Тип почвы есть производное подстилающей почвообразующей породы, причем с ограниченным набором, поскольку литогенная основа связана с генезисом территории. При этом каждая почвообразующая порода в данных климатических условиях характеризуется конкретным уклоном местности.
Особенности водного режима почв зависят от принадлежности данного типа почвы к определенным формам рельефа, отражающим местоположение относительно ближайшего водотока.
Таким образом, в качестве показателей - входов в природную основу используются:
- абсолютная высота (высота над уровнем моря);
- величина уклона;
- форма рельефа.
Наиболее полную информацию об абсолютных высотах и величинах уклонов можно извлечь из топографических карт. Требуется из векторных слоев изолиний создать векторный слой полигонов, каждый из которых соответствует территории с определенной градацией высот над уровнем моря и крутизной склонов. Программное преобразование цифровых топографических карт сводиться к трем основным шагам:
1. Из исходных векторных слоев собирается один, охватывающий всю исследуемую территорию. Затем этот слой импортируется в программу Serfer (или другую ГИС, позволяющую проводить такие преобразования) для получения специальной программой-интерполятором растрового слоя высот над уровнем моря. В результате получается растровый слой с размером пиксела 35 м на местности;
2. Полученный растр средствами ГИС ERDAS Imagine преобразуется в нужную проекцию (принята к использованию проекция - универсальная, поперечная, Меркатора). По слою высот над уровнем моря строится слой с уклонами и переводится в векторный формат полигональной структуры. Затем растр высот пересчитывается в слой с градациями высот через 10 м и также переводится в векторный полигонный слой. Таким образом, формируются векторные слои, характеризующие высоты над уровнем моря и уклонов;
3. Электронные данные по высотам и укло-
нам местности позволяют переходить к построению рядов распределения. Анализ полученных рядов распределений позволяет определить интервалы, определяющие количество страт природной основы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Границы между стратами природной основы расположены в точках перегиба кривых распределения величин показателей - входов в систему. Для показателя - входа «абсолютная высота местности» распределение может строиться в двух вариантах, а именно по количеству пикселов изображения и по количеству полигонов, объединяющих смежные пикселы, относящиеся к высотам в пределах точности их определения. Методически правильно использование второго варианта. Считается, что точность оценки величины показателя равна половине цены деления используемого инструмента. Тогда при высоте превышения между изолиниями 20 м точность оценки превышения составит 10 м.
Для входа «уклон местности» распределение также может строиться в двух вариантах, а именно по количеству пикселов изображения и по количеству полигонов, объединяющих смежные пикселы. Но и в этом случае методически правильно использование второго варианта, поскольку в действительности требуется величина уклона для лесотаксационного выдела, длина которого, как правило, значительно превышает 35 м, т.е. реальный размер пиксела изображения.
Практический опыт формализации природной основы иллюстрируется на примере арендной территории Высокогорского филиала ОАО Лесосибирский ЛДК №1. Здесь посредством лесного мониторинга осуществляется информационное обеспечение руководства комбината в области охраны окружающей среды и управлении природными ресурсами, сохранении благоприятной среды обитания и обеспечения экологической безопасности.
Результаты автоматической классификации пикселов растрового изображения представляются в виде распределения абсолютных высот и уклонов местности. Анализ формы распределений позволяет выделить два гипсометрических уровня: до 300 м; более 300 м, и три типа уклонов: 02°, 2,1-9°, более 9,1°. Два входа (высоты разделены на 2 части, уклоны на 3 части) дают природную основу, представленную шестью стратами (табл.).
Таблица - Нумерация страт природной основы
Абсолютная Уклон, градус
высота местности,м до 2 2,1-9 более 9,1
более 300 11 12 13
до 300 21 22 23
Результаты автоматического контурного де-
шифрирования территории оформляются в виде тематической карты (рис.).
Рисунок - Результаты автоматического контурного дешифрирования территории Высокогорского филиала (М 1:190000). (11, 12, 13, 21, 22, 23) - нумерация страт природной основы
Характеристика насаждений по стратам природной основы. На арендной территории Высокогорского филиала произрастают спелые и перестойные темнохвойные насаждения. Абсолютно преобладают пихтовые древостои II -III классов бонитетов, занимающие водораздельные и склоновые пространства. Состав колеблется от 10П до 6П2Е2К. Повышение гипсометрического уровня местности сопровождается увеличением количества кедра. Типы леса - мелкотравно-зеленомошный, зеленомошный, реже осочково-разнотравный. В пониженных припойменных местоположениях и собственно в поймах рек и ручьев расположены смешанные еловые и кедровые насаждения. По степени увлажнения насаждения Высокогорской базы относятся к мезоморфным, за исключением ельников, произрастающих в поймах на плохо дренированных (заболоченных) почвах.
Страта-11. Местоположение - выровненные водоразделы между реками. Средний состав фонового насаждения 10П. Единично встречается кедр, береза, осина. Возраст пихты от 130 до 170 лет. Насаждения III класса бонитета, разновозрастные, 2 класса товарности. В деревьях пихты развивается стволовая гниль, и они подвержены ветровалу, бурелому. Лесовосстановление на вырубках протекает со сменой пород.
Страта-12. Местоположения - пологие склоны на водораздельных пространствах. Насаждения по таксационной характеристике тождественны насаждениям I страты. Средний состав фонового наса-
ждения 10П. Единично встречается кедр, береза, осина. Возраст пихты от 130 до 170 лет. Насаждения III класса бонитета, разновозрастные, 2 класса товарности. В деревьях пихты развивается стволовая гниль, и они подвержены ветровалу, бурелому. Отличия связаны с повышенной дренированностью почвы, вследствие чего в древостое появляется рябина древовидная, напочвенный покров отличается большим видовым разнообразием. Сплошные вырубки восстанавливаются через смену пород (березу).
Страта-13. Местоположения - крутые более 10о склоны на водораздельных пространствах. Встречаемость менее 1 % площади арендной территории. Мониторинговые наблюдения не имеют практической значимости.
Страта-21. Местоположение - околопойменная с уклоном до 2о, терраса рек и ручьев (вторая терраса). Средний состав фонового насаждения 5Е3П2К. Выражена разновозрастность ели и кедра от 150 до 250 лет, пихты от 130 до 170. Класс бонитета III реже II. Насаждения близки к климаксовым. Сплошные вырубки восстанавливаются через смену пород (березу).
Страта-22. Местоположение - околопойменная с уклоном от 2о до 9о, терраса рек и ручьев (третья терраса). Средний состав фонового насаждения 6П2Е2К. Выражена разновозрастность. Класс бонитета III. Сплошные вырубки восстанавливаются через смену пород (березу).
Страта-23. Местоположения - крутые более 10о склоны к рекам. Встречаемость менее 1 % площади лесосырьевой базы. Мониторинговые наблюдения не имеют практической значимости.
Таким образом, в Высокогорском филиале произрастает пихтово-елово-кедровая лесная формация. Породный состав зависит от характеристик местоположения - абсолютной высоты и уклона местности. Резко выделяются леса, тяготеющие к поймам рек (главная порода ель или кедр) и к водоразделам (главная порода пихта). Поэтому в качестве мониторинговых объектов - постоянных пробных площадей были выбраны вырубки еловых и пихтовых насаждений (кедрачи в рубку не отводятся). Для наблюдений лесообразовательного процесса на вырубках еловых насаждений выбрана 21 страта. Для наблюдений лесообразовательного процесса на вырубках пихтовых насаждений выби-раны 11 и 12 страты природной основы.
Лесной мониторинг на арендной территории Высокогорского филиала осуществляется по принятой методике на единой природной основе и постоянных участках наблюдений. В итоге анализа получаемой мониторинговой информации уточняются местные особенности существования лесных экосистем, которые далее учитываются при разработке рекомендаций, позволяющих гармонизировать технологические элементы разработки лесосек с закономерностями лесовосстановительного процесса и рекомендаций по выращиванию товарных насаждений, отвечающих сырьевым потребностям ОАО Лесосибирский ЛДК №1.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Излагаемый способ формализации природной основы насаждений позволяет получить следующие преимущества:
- различия лесорастительных условий между стратами природной основы становятся значимы;
- контурное дешифрирование при использовании классов уклонов и абсолютных высот приобретает объективный характер;
- страты природной основы получают количественную размерность;
- за счет строгой последовательности взаимо-положения страт природной основы, качества дифференциации лесорастительных условий, наглядности и логичности интерпретации анализируемых показателей насаждений достигается получение более точных и обоснованных результатов при решении лесных научно-прикладных задач.
Полученные контуры ландшафтов анализируются совместно с топографическими и тематическими картами (геологическими, геоморфологическими и др.), а также с планами лесонасаждений и изображением полога леса на аэрокосмических снимках. В конфигурацию контуров ландшафтов вносятся необходимые, по мнению разработчиков, коррективы. Стратификация насаждений для цели актуализации базы лесоинвентаризационных данных и последующего ведения мониторинговых наблюдений предполагает большую дробность деления территории, соответствующую лесотаксационному выделу. В качестве дополнительного входов в природную основу могут использоваться: экспозиция склонов, формы рельефа, породный состав древостоя. Типизация насаждений производится по методике С. К. Фарбера, Ю. А. Михалева, (1990) с получением типологических групп, объединяющих насаждения с однородными условиями местопроизрастания и сходным составом древостоя.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Арманд, Д. Л. Наука о ландшафте / Д. Л. Арманд. - М.:
Мысль, 1975. - 288 с.
Исаченко, А. Г. Ландшафтоведение и физико-
географическое районирование / А. Г. Исаченко. -
М.: Высшая школа, 1991. - 368 с.
Колесников, Б. П. О комплексном районировании лесных территорий / Б. П. Колесников // Вопросы лесоведения. - 1973. - Т. 2. - С. 37-45.
Колесников, Б. П. Очерк растительности Дальнего Востока / Б. П. Колесников. - Хабаровск: 1955. - 104 с.
Колесников, Б. П. Районирование лесного фонда - научно-организационная основа интенсификации лесного хозяйства / Б. П. Колесников // 1 Всес. совещ. по проблеме районирования лесного фонда СССР. -Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1977. - С. 2-7.
Моисеев, Н. А. Воспроизводство лесных ресурсов / Н. А. Моисеев. - М.: Лесная промышленность, 1980. - 259 с.
Морозов, Г. Ф. Избранные труды / Г. Ф. Морозов. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 560 с.
Нееф, Э. Теоретические основы ландшафтоведения /
Э. Нееф. - М.: Прогресс, 1974. - 220 с.
Попов, Л. В. Об унифицировании динамической классификации леса / Л. В Попов //
Смолоногов, Е. П. Лесообразовательный процесс и его особенности / Е. П. Смолоногов // Теория лесообразовательного процесса. - Красноярск: КНЦ СО АН СССР, 1991. - С. 151-153.
Сукачев, В. Н. Основы лесной типологии и биогеоцено-логии / В. Н. Сукачев. - Л.: Наука, 1972. Т. 1. - С. 283.
Сухих, В. И. Учебное пособие для студентов лесного факультета по специализации «Аэрокосмические средства и методы исследования лесных ресурсов на базе ГИС-технологий» / В. И. Сухих, В. М. Жи-рин, А. В. Шаталов. - Москва, 1999. - 305 с.
Тр. ин-та экол. раст. и животных. - Уральск. науч. центр АН СССР, 1972, вып. 84. - С. 19-31.
Фарбер С. К. Типологическая стратификация насаждений по среднемасштабным аэроснимкам /
С.К. Фарбер, Ю. А. Михалев // Лесоведение. - 1993. № 5. - С. 69-71.
Фарбер, С. К. Классификация территории при лесоин-вентаризации с использованием аэроснимков /
С.К. Фарбер, Ю. А. Михалев // Аэрокосмический мониторинг таежных лесов. - Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1990. - С. 28-30.
Фарбер, С. К. Формирование древостоев Восточной Сибири / С. К. Фарбер. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - 437 с.
Фильрозе, Е. М. Оценка современных тенденций лесообразовательных процессов / Е. М. Фильрозе // Теория лесообразовательного процесса. - Красноярск: КНЦ СО АН СССР, 1991. -С. 164-166.
Поступила в редакцию 25 января 2011 г. Принята к печати 3 ноября 2011 г.
