CC BY
44
УДК 911:004+595.796(571.5)
ПРИМЕНЕНИЕ ГИС «ЛАНДШАФТЫ ПРИОЛЬХОНЬЯ И ОЛЬХОНА» В ИССЛЕДОВАНИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МУРАВЬЕВ (INSECTA, HYMENOPTERA, FORMICIDAE)
© И.А. Антонов1, И.А. Башалханов2, Д.В. Дергачёв3, А.С. Силаев4
1Иркутский национальный исследовательский технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
1,2Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН,
664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132.
3,4Иркутский государственный университет,
664003, Россия, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1.
Рассматривается экологическое своеобразие территории Приольхонья и Ольхона, а также процесс создания и структура ее геоинформационной системы. Особое внимание уделено практической схеме использования ГИС -технологий в исследовании пространственного распределения муравьев. Результаты, полученные с помощью ГИС-технологий, совпадают с данными традиционных экологических исследований. При этом информационные технологии дают возможность оперативно создавать цифровые тематические карты на основе поступающих данных и отражать изменение текущего состояния территориального распределения муравьиных гнезд, что повышает достоверность и углубляет результаты пространственного экологического анализа. Ключевые слова: геоинформационная система; ландшафты; пространственное распределение; муравьи; Приольхонье; о. Ольхон.
USE OF GIS "OLKHON REGION AND OLKHON ISLAND LANDSCAPES" IN ANT SPATIAL DISTRIBUTION
STUDIES (INSECTA, HYMENOPTERA, FORMICIDAE)
I.A. Antonov, I.A. Bashalkhanov, D.V. Dergachev, A.S. Silaev
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS,
132 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
Irkutsk State University,
1 Karl Marx St., Irkutsk, 664003, Russia.
The paper deals with the environmental uniqueness of the Olkhon region and the island of Olkhon. It also discusses the formation process and the structure of its geographic information system (GIS). The authors focus on the practical scheme of GIS-technology application in the study of spatial distribution of ants. The data obtained by means of GIS-technologies agree with the data obtained via traditional environmental investigations. Information technologies enable quick creation of digital thematic maps on the basis of incoming information and reflection of changes in the current spatial distribution of ant nests. This raises reliability and makes the results of spatial environmental analysis more profound. Keywords: geographic information system; landscapes; spatial distribution; ants; Olkhon regions; Olkhon island.
Приольхонье и о. Ольхон с их уникальным разнообразием ландшафтов и особым микроклиматом издавна вызывают интерес многих исследователей, изучающих проблемы биоразнообразия и защиты окружающей среды. Ольхон является самым крупным байкальским островом, который лежит у северо-западного берега озера. Длина острова - 74 км, средняя ширина - 10 км. Остров отделяется от материка проливом
Малое море, имеющим ширину от 4 до 16 км, и узким проливом Ольхонские Ворота [1]. В формировании климатических условий Ольхонского района ведущую роль играет рельеф местности и водная масса оз. Байкал. Как известно, озеро находится на высоте 456 м выше уровня океана и его окружают высокие горные хребты. Это определяет особенности его радиационного режима, вызывает смену циркуляции атмосфер-
1Антонов Игорь Алексеевич, магистрант, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории природных и антропогенных экосистем, тел.: 89642748287, e-mail: [email protected]
Antonov Igor, Master's Degree Student, Candidate of Biology, Researcher of the Laboratory of Natural and Anthropogenous Ecosystems, tel.: 89642748287, e-mail: [email protected]
2Башалханов Иннокентий Александрович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник лаборатории агроэкологии, тел.: 89041209743, e-mail: [email protected]
Bashalkhanov Innokenty, Candidate of Geography, Senior Researcher of Agroecology Laboratory, tel.: 89041209743, e-mail: [email protected]
3Дергачёв Дмитрий Викторович, студент, тел.: 89500779815, e-mail: [email protected] Dergachev Dmitry, Student, tel.: 89500779815, e-mail: [email protected]
4Силаев Алексей Сергеевич, студент, тел.: 89041116320, e-mail: [email protected] Silaev Aleksei, Student, tel.: 89041116320, e-mail: [email protected]
ных процессов в теплый и холодный периоды года, а также повышает приток солнечной радиации к деятельной поверхности. В летний период на побережье Малого моря и Ольхоне объем осадков в июне составляет 25-40 мм, в июле до 50-70 мм, а в целом за год 200-300 мм [12]. Это меньше, чем на всей территории Прибайкалья. Продолжительность солнечного освещения на рассматриваемой территории достигает 2200-2400 ч/год [7].
Ольхон по характеру растительности делится на две части - лесную и степную. Степи развиты главным образом в юго-западной части острова на каменистых сопках и на крайней северо-восточной оконечности (мыс Хобой). Хвойные леса занимают юго-восточную часть Ольхона, распространены от береговой полосы до самой высокой вершины острова (гора Жима). Границы лесостепной и таежной зон определяются различиями в формах и ориентации рельефа, а также направлением переноса воздушных масс. Основную роль при этом играют водная масса озера Байкал и крутизна склонов [11, 12]. Сосновые леса произрастают в средней части острова на Ольхонском хребте. Лиственница выделяется в чистые насаждения по межгорным котловинам и на границе леса со степью на сухих каменистых или степных склонах. В составе сосновых древостоев ее количество колеблется от единичных экземпляров до 40% [11]. В При-ольхонье своеобразие черт растительного покрова характеризуют сообщества гольцовых, субальпийских, таежных светлохвойных, таежных темнохвойных и степных природных комплексов [7].
В настоящее время территориально-экологические исследования на основе картографического метода активно развиваются, благодаря достижениям информационных технологий, в том числе геоинформационных систем (ГИС). Современные ГИС, с помощью которых происходит сбор, хранение, обработка, отображение и распространение пространственно-координированных данных, характеризуются тем, что в них основной акцент сделан на системном анализе данных с применением некартографических способов представления результатов (например, диаграммы, таблицы и графики) [4]. Поэтому особый интерес вызывает создание ГИС уникальных территорий, таких как Приольхонье и Ольхон, и применение указанных систем в экологических исследованиях. Как известно, ландшафт является природным географическим комплексом, в котором все основные компоненты: рельеф, климат, воды, почвы, растительность и животный мир находятся в сложном взаимодействии и взаимообусловленности, образуя однородную по условиям развития единую неразрывную систему [10]. Так, например, в степном Приольхонье растительность и флора отличаются малым разнообразием. В тоже время численность особей в ценопопуляциях отдельно взятых видов высокая, и их роль в формировании среды весьма существенна [12]. В частности, благодаря муравьям и мелким грызунам степные почвы делаются рыхлее и доступнее для заселения крупными злаками типа тырсы, тонконога и других. Появление крупных злаков в составе степных фитоценозов
становится началом природных сукцессий, завершающихся формированием разнотравно-крупнозлаковой степи [12].
Актуальной задачей современной экологии является изучение проблем биологического разнообразия наземных живых организмов. Первым этапом в решении этих проблем является инвентаризация флоры и фауны и выявление пространственного распределения видов, точнее их популяций. В качестве интересного модельного объекта изучения биологического разнообразия выступают муравьи, благодаря уникальной социальной структуре, многочисленности, большой биомассе и длительному периоду активной жизнедеятельности. Нами использован картографо-геоинформационный подход в процессе пространственной инвентаризации изучаемых объектов. Поскольку данные о ландшафтном распределении муравьев и их видовом составе постоянно пополняются, то становится необходимым использование ГИС-технологии для углубленного исследования пространственного распределения этих насекомых. Именно ГИС - это инструмент, позволяющий оперативно создавать тематические карты на основе поступающих данных и отражать текущее состояние исследования территориального распределения муравьиных гнезд [4]. Применение ГИС и результатов ландшафтного распределения муравьев необходимо для пополнения знаний об объектах исследования, в том числе и для природоохранных мероприятий.
Исходный материал для решения поставленной задачи получен в результате полевых работ в 2014 г. на территории Приольхонья и Ольхона (рис. 1). Сбор муравьев осуществлялся согласно общепринятой мирмекологической методике [5]. Применялся маршрутный метод с полосой обследования шириной 2 м и метод почвенных проб. Для регистрации координат гнезд муравьев применялся GPS-навигатор (Garmin e-Trex 30). При создании ГИС «Ландшафты Приольхонья и о. Ольхон» использованы программные пакеты Excel, MapInfo и SAS.Планета.
Ранее при отображении на карте всей совокупности точек регистрации конкретного вида муравья было необходимо проведение достаточно трудоемкой ручной работы. В настоящее время этот этап автоматизирован. Появилась возможность оперативно получать данные с GPS-устройств напрямую из программного комплекса MapInfo с помощью утилиты Geographic Tracker [8]. Все точки, зафиксированные GPS-навигатором, отражаются на цифровой карте. Существует и альтернативный вариант, который более трудоемок, однако дающий возможность более гибко показать на карте нужную атрибутивную информацию. Сначала в программе Excel создается таблица мест находок вида или видов. В ней указаны атрибутивная информация и координаты. Затем эти данные импортируются из Excel в MapInfo, иными словами, открываем файл формата XLS (XLSX) в MapInfo и определяем структуру таблицы MapInfo, в которую будем импортировать данные. Потом создаем точечные объекты.
Проекции прямая ммшческаи равиопрочсжугочная. ЬайкальскиЙ регион
Рис. 1. Карта-схема мест находок муравьев
Основной трудностью на начальном этапе работы с ГИС-технологиями является создание цифровых топографических карт, которые служат основой для первичного пространственного анализа и для создания других цифровых тематических карт. Одним из методов создания цифровых карт может служить использование космических снимков, скачанных с помощью программы SAS.Планета с одного из картографических сервисов (например, Google Maps или Ян-декс.Карты). Загрузка космоснимка идет в виде так называемых тайлов (от англ. tile - плитка) - фрагментов карты размером 256х256 пикселей [8]. Эти фрагменты карты записываются в соответствующий подкаталог папки «cache» на компьютере пользователя. Для каждого сервиса предусмотрен свой подкаталог -для Яндекс.Карты это, например, «yasat», для Google Maps - «sat» и т.д. Время загрузки зависит в основном от площади выбранной области. Ставить на загрузку области более чем на 2 часа для карт Google Maps не имеет смысла, поскольку после превышения некоторого объема данных сервер прекращает выдачу информации [8]. Если есть динамический IP-адрес, то просто разрываем соединение Интернета и снова подключаемся. После этого сервис Google Maps снова начинает выдавать данные. Особенно важно правильно указать масштаб создаваемой карты. Масштабирование (зум - z) карт в сети Интернет осуществляется следующим образом. Так, масштабная шкала условно делиться на 24 диапазона (ступени) - от z1 (самый мелкий масштаб) до z24 (самый подробный). Каждому такому диапазону соответствует определенное разрешение космоснимка. Чем выше зум, тем больше разрешение снимка. Самое интересное начинается от зума z14-z15, что соответствует разрешению от 10 м/пиксель [8]. Причина этого довольно проста - именно с этого разрешения можно увидеть более-менее точно контуры ландшафтов. Зум z18 соответствует
разрешению снимка менее 1 м/пиксель (~ 0,7 м/пиксель) [8]. Если загружаются тайлы с масштабом z18, то логично склеивать их в карту с этим же масштабом. Если нужно наложить на космоснимок подписи, то выбирается соответствующий сервис. Закаченный программой космоснимок без конвертации открывается в MapInfo, в которой и создается необходимая карта. Это удобно потому, что сейчас космоснимки в Интернете, как правило, уже являются геообработан-ными в наиболее популярной и стандартной системе координат Долгота/Широта на глобальном геодезическом датуме WGS 84 (единая система координат для всей планеты) [8]. Особое удобство применения кос-моснимков заключается в том, что их можно использовать в качестве контекста, растровой подложки при оформлении карт различной тематики. В итоге, скачивая с одного из картографических сервисов фрагмент карты, получается надежный и достоверный источник информации для извлечения координат на необходимый фрагмент земной поверхности. Такое обстоятельство является очень важным, поскольку избавляет от технологически сложного для неспециалистов процесса привязки космоснимков к координатам земной поверхности [8]. Это позволит создавать крупномасштабные карты или планы выбранных территорий, на которых возможно отображать пространственное расположение отдельных гнезд муравьев, а затем рассчитывать количество этих гнезд на единицу площади с помощью аналитических инструментов MapInfo.
Нами была сформирована ГИС «Ландшафты Приольхонья и о. Ольхон», в которой тематический ландшафтный слой создан на основе изданной карты «Ландшафты юга Восточной Сибири» [9]. Вначале бумажный вариант сканировался, а затем растровые изображения регистрировались в MapInfo. Регистрация изображения проводилась с использованием ре-
перной сетки. Для более или менее удовлетворительной привязки необходимо минимум 4 или 5 точек (4 по краям карты и одна в центре). При увеличении плотности реперной сетки (т.е. числа точек) точность привязки возрастала. В результате регистрации был сформирован растровый слой, на котором отображается ландшафтная карта с точными пространственными координатами. Затем был создан ландшафтный векторный слой, по которому можно измерять расстояния и площади. Кроме этого были созданы несколько векторных слоев топографической основы с разными масштабами с помощью растровых космоснимков с диапазоном от z12 до z16. Это дало возможность составить цифровые карты рассматриваемой территории с масштабным рядом от 1:20000 до 1: 1500000, при этом можно произвольно изменять их проекцию. В результате ГИС работает с двумя существенно отличающимися типами данных - векторными и растровыми. В векторной модели информация о точках, линиях и полигонах кодируется и хранится в виде набора координат Х^^ Местоположение точки (точечного объекта), например гнезда муравья, описывается парой координат (например, Х10^20). Линейные объекты, такие как реки, сохраняются как наборы координат (XU;YU). Полигональные объекты (например, контур конкретного типа ландшафта) хранятся в виде замкнутого набора координат. Векторная модель особенно удобна для описания дискретных объектов и меньше подходит для описания непрерывно меняющихся свойств, таких как транспортные системы. Растровая модель оптимальна для работы с непрерывными свойствами. Растровое изображение представляет собой набор значений для отдельных элементарных составляющих (ячеек). Таким образом, ГИС «Ланд-
шафты Приольхонья и о. Ольхон» включает три растровых слоя (спутниковые фотографии) и четыре векторных слоя: два топографических, по одному - речной сети и ландшафтный (рис. 2). Все слои привязаны к единой системе координат и их порядок расположения можно произвольно изменять. Векторный топографический слой, созданный на основе космоснимков с масштабом z16, дает возможность рассчитывать плотность популяции на единицу площади и создавать крупномасштабные карты. Топографический слой, сформированный на основе космоснимков с масштабом z12, позволяет получать обзорные мелкомасштабные карты и видеть всю картину целиком. К сожалению, на данном этапе корректно использовать ландшафтный слой можно только до среднемасштаб-ных карт (до масштаба 1:500000), так как детальность содержания и диапазон точности этого слоя не позволяют работать с крупномасштабными картами. Необходима дальнейшая работа по раскрытию этих контуров до уровня ландшафтных фаций при векторизации космоснимков разного спектра и крупного масштаба.
Использование ГИС-технологий позволило формализовано подойти к анализу ландшафтного распределения муравьев. Для исследования создан слой, который содержит данные о местах находок 212 зарегистрированных гнезд. Определение ландшафтного распределения муравьев велось с помощью SQL-запросов. В окне запроса в поле «с условием» задавали условие, что точки из слоя «Места находок» должны лежать внутри слоя «Ландшафты» (синтаксис: Ландшафты.obj Contains Места_находок^). В результате были получены данные о пространственном распространении ряда видов муравьев в Приольхонье и на острове Ольхон. В степных ландшафтах преоб-
оз. Байкал
Рис. 2. ГИС «Ландшафты Приольхонья и о. Ольхон»
ладают муравьи подрода Serviformica, меньше встречаются муравьи подрода Coptoformica и родов Myrmi-ca, Leptothorax, Lasius, Camponotus, изредка - Formica uralensis и F. sanguínea. В горнотаежных ландшафтах преобладают муравьи группы Formica rufa и рода Myrmica, меньше встречаются муравьи родов Cam-ponotus, Lasius и F. sanguinea. Эти данные можно использовать как исходные для оценки текущего и будущего состояния экосистем района исследования. По нашим сведениям известно, что число гнезд муравьев на единицу площади может служить хорошим индикатором антропогенной нагрузки на различные экосистемы [2].
Хорошо известно, что муравьи подрода Serviformica эвритопны. Так, муравей Formica candida Smith является фоновым видом в степных экосистемах Байкальского региона, а F. fusca L. хотя и является эври-топным, но в степях встречается реже [3, 6]. Муравьи подрода Coptoformica (Formica pisarskii Dluss. и Formica manchu Wheel.) также встречаются в степных ландшафтах [6]. Они строят гнезда с холмиками из растительных остатков, которые объединены в комплексы, но из-за сложности строительства таких гнезд муравьи подрода Coptoformica реже встречаются в степях. Остальные виды в основном отмечены эпизодически или локально (небольшие скопления гнезд).
В лесных экосистемах Палеарктики доминирующими видами являются муравьи группы Formica rufa [6], поэтому неудивительно, что они преобладают в
горнотаежных ландшафтах. Стать доминантами им позволили сложная общественная организация их семей и связанная с ней численность популяций и сложность гнездостроения [6]. Муравьи рода Myrmica встречаются повсеместно, но у них относительно малые по численности семьи и примитивный тип гнездо-строения, поэтому они занимают подчиненное положение. При этом они встречаются даже чаще, чем муравьи группы Formica rufa. По нашему мнению, основной причиной такого явления является пластичность в гнездостроении у муравьев рода Myrmica. Как результат, они могут жить в более суровых условиях (то есть выдерживать более сильный антропогенный пресс), чем муравьи группы Formica rufa.
Таким образом, результаты, полученные с помощью ГИС-технологий, совпадают с данными традиционных экологических исследований. При этом информационные технологии дают возможность оперативно создавать цифровые тематические карты на основе поступающих данных и отражать изменение текущего состояния территориального распределения муравьиных гнезд, что повышает достоверность и углубляет результаты пространственного анализа. Это позволяет существенно расширить возможности картографо-геоинформационного подхода и осуществить формализацию в тех направлениях экологических исследований, где раньше ее невозможно было реализовать.
Статья поступила 10.03.2015 г.
Библиографический список
1. Агафонова Т.А., Анисимова О.А., Эпова В.И. Экологические комплексы насекомых-дендрофагов в хвойных лесах острова Ольхон // Проблемы экологии лесов Прибайкалья. Иркутск: Изд-во СИФИБР СО АН СССР, 1991. С. 149-170.
2. Антонов И.А. Мирмекокомплексы городов умеренного пояса Евразии // Экология. 2013. № 6. С. 471-475.
3. Антонов И.А., Плешанов А.С. Ландшафтно-экологические комплексы муравьев Байкальской Сибири // Сибирский экологический журнал. 2008. № 1. С. 53-57.
4. ДеМерс М.Н. Географические информационные системы. Основы / пер. с англ. М.: Дата+, 1999. 491 с.
5. Длусский Г.М. Методы количественного учета почвооби-тающих муравьев // Зоологический журнал. 1965. № 5. С. 716-727.
6. Длусский Г.М. Муравьи рода Формика. М.: Наука, 1967. 236 с.
7. Иметхенов А.Б., Долхонова Э.З., Елбаскин П.Н. Ольхон -
край родной. Улан-Удэ: Изд-во Бурятского госуниверситета, 1997. 352 с.
8. Лаборатория АгроГИС-технологий, г. Калуга [Электронный ресурс]. иРЬ: http://npk-kaluga.ru/index.htm (10 февр. 2015).
9. Ландшафты юга Восточной Сибири: карта. М. 1:1500000 / В.С. Михеев, В.А. Ряшин. М.: Изд-во ГУГК, 1977. 4 л.
10. Реймерс Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 637 с.
11. Тихомиров Н.К. Очерк растительности острова Ольхона на оз. Байкале // Тр. комиссии по изучению оз. Байкал. 1927. Т. 2. С. 1-54.
12. Экологически ориентированное планирование землепользования в Байкальском регионе. Ольхонский район: рамочный план экологически ориентированного землепользования в масштабе 1:200000 / Ю.М. Семенов, А.Н. Антипов, В.В. Буфал [и др.]. Иркутск: Изд-во СО РАН, 1998. 183 с.
