CC BY
87
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
2. Итоговые результаты учета количественных и качественных показателей лесного фонда за 2008 г. по сравнению с данными ГИЛ во многом недостоверны по причинам:
- давности проведенного последнего лесоустройства;
- низкой точности данных включаемых в лесной реестр.
3. Требуется повысить точность данных лесоустройства при таксации в соответствии с порядком проведения ныне действующей государственной инвентаризации лесов.
4. Включение в Гослесфонд колхозносовхозных лесов, которые ранее устраивались по более низкому разряду, также сыграло существенную роль в выявленном расхождении характеристик данных государственного уче-
та лесного фонда 2008 г. и современных данных ГИЛ 2012 г.
Библиографический список
1. Лесной кодекс Российской Федерации. Комментарии: изд. 2-е, доп. / Под общ. ред. Н. В. Комаровой, В.П. Рощупкина. - М.: ВНИИЛМ, 2007. - 865 с.
2. Лесной фонд России (по данным государственного учета лесного фонда по состоянию на 1 января 1998 г.) / Справочник. М.: ВНИИЦлесресурс, 1999.
3. Лесной фонд России (по данным государственного учета лесного фонда по состоянию на 1 января 2003 г.) / Справочник. М.: ВНИИЛМ, 2003, 640 с.
4. Лесной фонд России (по данным государственного учета лесного фонда по состоянию на 1 января 2008 г.) / Справочник. М.: ФАЛХ Рослесинфорг, 2008.
5. Методические рекомендации по проведению государственной инвентаризации лесов утверждены приказом Рослесхоза от 10 ноября 2011г. № 472. - М.: Минюст РФ, 2011.- 37 с.
РЕСУРСНАЯ ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕННЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОСМИЧЕСКОЙ
СЪЕМКИ И ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
А.А. ПУШКИН, доц. кафедры лесоустройства БГТУ, канд. с.-х. наук,
М.А. ИЛЬЮЧИК, начальник отдела РУП «Белгослес», канд. с.-х. наук
В последнее время в Республике Беларусь наблюдается усиление неблагоприятных воздействий на лесные насаждения, приводящее к их повреждению. Ежегодные воздействия ураганных ветров приводят к значительным ветровальным и буреломным повреждениям лесных насаждений на территориях ряда лесохозяйственных учреждений. Оперативное определение местоположения поврежденных лесных участков вследствие ветровалов и буреломов, формирование тематических карт повреждений и расчет предварительной ресурсной оценки по данным участкам является важной задачей, решение которой позволяет подразделениям лесного хозяйства оптимально использовать поврежденную древесину, планировать технические средства и ресурсы для выполнения мероприятий по расчистке поврежденных участков и проведению лесовосстановительных работ.
К настоящему времени на земли Государственного лесного фонда Республики Бе-
[email protected], [email protected]
ларусь созданы цифровые векторные карты, а также повыдельная, лесотаксационная база данных лесных насаждений. Это, в свою очередь, создает предпосылки для использования геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования для автоматизированного решения задачи по формированию тематических карт повреждений лесных насаждений, а также предварительной оценки их запасов.
Основной целью исследования являлась разработка технологии и программного комплекса определения местоположения поврежденных лесных насаждений по материалам космической съемки, создания векторных тематических карт поврежденных участков, а также материально-денежная оценка поврежденной древесины. Работы выполнялись совместно лесоустроительным предприятием «Белгослес», Учреждением образования «Белорусский государственный технологический университет» и научно-инженерным предприятием «Геоинформационные системы».
58
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
Таблица 1
Характеристика изображений сенсоров системы ALOS
Режимы PRISM (панхроматический) AVNIR-2 (мультиспектральный)
Спектральный диапазон, мкм 0,52-0,77 голубой 0,42-0,50 зеленый 0,52-0,60 красный 0,61-0,69 Ближний ИК 0,76-0,89
Пространственное разрешение 2,5 м (в надире) 10 м (в надире)
Скорость передачи данных на наземный сегмент 960 Мбит/сек 160 Мбит/сек
Ширина полосы съемки 35 км (в надире) 70 км (в надире)
Радиометрическое разрешение 8 бит на пиксел 8 бит на пиксел
Периодичность съемки 46 дней 46 дней
Возможность получения стереопары Да, с одного витка Нет
Разработка программного комплекса выполнена на основе специализированного программного обеспечения:
- система обработки данных дистанционного зондирования ENVI 4.7;
- специализированный программный модуль автоматизации тематического дешифрирования, разработанный на платформе ENVI 4.7;
- геоинформационная система (ГИС) MapInfo Professional, предназначенная для формирования планово-картографических материалов и отчетных документов;
- специализированный программный модуль ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений, разработанный на платформе ГИС MapInfo Professional;
- система управления базами данных Ms Access, используемая для хранения атрибутивной базы данных повыдельной характеристики лесных насаждений.
В качестве исходных данных, необходимых для выполнения ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений, используются материалы разновременной или разовой космической съемки высокого разрешения; цифровые лесные карты в векторном формате TAB, содержащие слои таксационных выделов и кварталов; повыдельная база данных таксационных характеристик лесных насаждений, полученная в результате лесоустройства.
В основном для дешифрирования поврежденных лесных насаждений использовались материалы космической съемки
системы ALOS AVNIR 2008-2010 гг. съемки. Необходимо отметить, что технические характеристики сенсора данной системы космического зондирования (табл. 1) наиболее близки к характеристикам планируемого к запуску Белорусского космического аппарата дистанционного зондирования. Это, в свою очередь, позволит использовать полученные результаты исследований применительно к материалам, планируемым к получению с отечественного спутника.
В соответствии с поставленной целью исследований предусматривалось решение следующих основных задач:
- создание базы данных эталонных участков по повреждениям лесных насаждений;
- разработка технологии тематического дешифрирования поврежденных лесных насаждений на материалах космической съемки;
- создание математических моделей товарной оценки поврежденных лесных насаждений;
- разработка вычислительного алгоритма и программного обеспечения для определения ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений.
База данных эталонных участков создана по всем видам повреждений лесных насаждений, которые можно дешифрировать на материалах космической съемки, с целью изучения спектрально-яркостных показателей изображения и дальнейшего создания обучающих выборок классификации. При этом видами
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
59
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
повреждений, дешифрируемых на материалах космической съемки, являются ветровальные и буреломные повреждения, а также усыхания лесных насаждений, вызванные различными факторами. Созданная база данных включает изображение эталонного участка в векторном формате, его таксационную характеристику, полученную в результате полевых обследований, а также фотоизображение. В общей сложности обследовано и включено в базу данных 54 эталонных участка.
Важнейшей задачей в процессе выполнения ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений является выявление и картирование поврежденных лесных участков на материалах космической съемки. Решение данной задачи возможно несколькими путями: на основе тематической классификации разовых космических снимков или на разновременных материалах космической съемки с использованием базовых алгоритмов поиска изменений (Change detection) [1, 2].
Тематическая классификация представляет собой процесс сортировки пикселей изображения космического снимка в конечное число классов. В настоящее время разработано достаточно большое количество методов тематической классификации, использующих различные признаки пикселей изображения, которые реализованы в большинстве на базе современных программных комплексов обработки данных дистанционного зондирования: Erdas Imagine, ENVI, eCognition, ER Mapper и др. В практике тематической обработки материалов космической съемки в настоящее время наиболее часто используются алгоритмы на основе статистической оценки спектральных яркостей с использованием эталонных участков изображения или так называемых обучающих выборок [3, 4]. С целью автоматизации работ по тематической классификации различных видов лесных земель и растительности разработан специализированный программный модуль на основе базового программного обеспечения ENVI [5]. Также хорошие результаты по тематическому дешифрированию поврежденных лесных насаждений получены при использовании алгоритма Future Extraction, реализованного на базе програм-
много приложения ENVI Zoom, входящего в состав комплекса ENVI. Основным преимуществом метода тематической классификации является возможность выявления поврежденных лесных насаждений на основе данных одиночной съемки. Однако результаты такого дешифрирования необходимо проверять в натуре или сопоставлять с информацией из по-выдельной базы лесотаксационных данных, поскольку спектрально-яркостные показатели поврежденных лесных насаждений зачастую весьма схожи с другими видами земель лесного фонда (несомкнувшиеся лесные культуры, прогалины, вырубки и др.), что может привести к значительным ошибкам.
Использование алгоритма поиска изменений позволяет выделять на разновременных материалах космической съемки участки, где спектральные характеристики существенно изменились, например, лесное насаждение - ветровал. Для практической реализации данного способа необходимо наличие двух разновременных космических снимков на одну и ту же территорию лесного фонда (рис. 1). При этом качество координатной привязки данных материалов должно быть высоким и обеспечивать полное совпадение изображений. Выполнение вычислительных процедур в данном случае обеспечивается базовыми программными функциями ENVI.
В результате проведения тематической классификации формируется растровое изображение поврежденных лесных насаждений, которое по проведению постобработки переводится в векторный формат данных. Полученный таким образом векторный слой поврежденных участков разрезается полигональным слоем лесотаксационных выделов, созданным при проведении лесоустройства, в результате чего формируется слой выделов с границами повреждений. На последующем этапе с использованием базовых функций ГИС MapInfo определяются площади поврежденных участков лесных насаждений по каждому таксационному выделу.
На основе полученных данных формируется тематическая карта поврежденных лесных участков с обозначениями поврежденных лесных насаждений (рис. 2).
60
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
Рис. 1. Разновременные данные космической съемки до и после повреждения лесных насаждений (Березинский лесхоз): а - фрагмент снимка Terra/Aster 29.09.2007 до повреждения; б - фрагмент снимка Alos/AVNIR 14.08.2008 после повреждения ветровалом и буреломом
Рис. 2. Тематическая карта повреждений лесных насаждений (Червенский лесхоз)
Для автоматизированного проведения ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений требуется наличие соответствующих математических моделей. Проведение расчетов основывается на информации, содержащейся в повыдельной базе данных: произрастающих на выделе древесных видов и их коэффициентов состава, их средних диаметров и высот, запаса. Потери в выходе различных категорий крупности деловой дре-
весины определяются в зависимости от типа повреждений. Необходимость учитывать тип повреждений обуславливается различной величиной потерь деловой древесины. В результате полевых обследований целесообразным признано выделение трех основных типов повреждений лесных насаждений.
К первому типу повреждений относят сплошные ветровалы. При данном типе повреждения процент ветровальных деревьев
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
61
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
Таблица 2
Средние высоты слома древесных стволов при буреломных повреждениях
Ступень толщины, см Высота слома, м Ступень толщины, см Высота слома, м
12 4,0 40 6,0
16 4,0 44 6,0
20 5,0 48 6,0
24 5,0 52 6,0
28 5,0 56 7,0
32 6,0 60 7,0
36 6,0 64 7,0
должен составлять не менее 85 % и до 15 % могут составлять буреломные и стоящие на корню деревья. Ветровальные повреждения характеризуются значительно меньшими повреждениями по сравнению с другими видами и при своевременной уборке поваленных деревьев потери деловой древесины будут минимальны.
Ко второму типу повреждений относят сплошные буреломы. В данном случае стволы деревьев ломаются под воздействием ветра. К сплошным буреломам отнесены насаждения, не менее 85 % деревьев которых имеют сломы. Буреломные повреждения наносят наибольший ущерб, поскольку повреждается наиболее ценная нижняя часть ствола. Высота слома зависит главным образом от среднего диаметра древостоя (табл. 2).
К третьему типу относят комбинированные ветровально-буреломные повреждения лесных насаждений, где, соответственно, доля ветровальных и буреломных деревьев составляет более 15 %. Такие повреждения наиболее распространены в условиях лесного фонда Беларуси. Соотношения между ветровальным и буреломным повреждением могут быть различны, определяются в полевых условиях и учитываются в дальнейшем в программном комплексе при определении ресурсной оценки.
Расчет уменьшения выхода деловой древесины выполняется в зависимости от древесной породы, класса товарности, а также установленного типа повреждения. При ветровальных повреждениях процент потери деловой древесины зависит от среднего диаметра древостоя, древесной породы и класса товарности. Результаты полевых исследова-
ний показывают, что для хвойных насаждений 1-3 класса товарности в зависимости от среднего диаметра уменьшение выхода деловой древесины составляет 8-10 %, твердолиственных насаждений - 5-8 %, березовых насаждений - 7-10 %, осиновых и черноольховых насаждений - 6-9 %. С использованием полученных процентов потерь устанавливают выход деловой древесины всех категорий крупности, а также корректируется выход дровяной древесины и отходов. При этом распределение полученного процента уменьшения деловой древесины по категориям крупности осуществляется пропорционально их запасу в древостое до повреждения
Ресурсная оценка насаждений, поврежденных сплошными буреломами, осуществляется на основе системы математических моделей. Разработка данных моделей выполнена на основе данных таксации буреломных лесных насаждений, результатах материально-денежной оценки, полученных лесхозами при разработке лесосек, а также с использованием имитационного моделирования повреждений насаждений (при недостаточном количестве объектов полевых исследований). При проведении лесотаксационных работ установлено, что потеря выхода деловой древесины гораздо более высока, чем при ветровальных повреждениях и для хвойных насаждений составляет 50-69 %, для твердолиственных насаждений - 51-69 %, для мягколиственных насаждений - 49-66 % в зависимости от среднего диаметра древостоя.
Известно, что товарная структура древостоя определяется главным образом его средним диаметром. В связи с этим, модели для определения уменьшения выхода дело-
62
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
вой древесины созданы в виде полиномов 3-5 степени в зависимости от среднего диаметра поврежденного древостоя
P(D) = bo + Ъх • D + b2 bx • D2 +
+ b3 bj • D3 +b4 bj • D4 + b5 bj • D5 где P(D) - уменьшение выхода общего объема деловой древесины, %;
Ъ - коэффициенты полиномиальной модели;
D - средний диаметр поврежденного древостоя, см.
Для определения процента уменьшения выхода крупной деловой древесины используется уравнение следующего вида
Р(Х) = ъ + ъ • X + ъ • X2 + ъ • X3 +ъ • х4 + ъ • х5
где Р(Х) - уменьшение выхода крупной деловой древесины, %;
bi - коэффициенты полиномиальной модели;
Х- выход крупной деловой древесины для неповрежденного насаждения, %.
Потери в выходе средней деловой древесины определяются с использованием уравнения
Р(ЗД = bo + bj • Zj + Ъ2 • Z2 где P(Zj,Z2) - уменьшение выхода средней деловой древесины, %;
b. - коэффициенты полиномиальной модели;
Zj - выход средней деловой древесины для неповрежденного древостоя, %;
Z2 - отношение выхода мелкой деловой древесины к средней деловой древесине для неповрежденного древостоя, %;
Уменьшение выхода мелкой деловой древесины определяется через соответствующие значения потерь в выходе общего объема, крупной и средней деловой древесины по формуле
Р(М) = P(D) - Р(Х) - P(Zj, Z2) где Р(М) - уменьшение выхода мелкой деловой древесины, %;
Р(Х) - уменьшение выхода крупной деловой древесины, %;
P(Zj, Z2) - уменьшение выхода средней деловой древесины, %;
P(D) - уменьшение выхода общего объема деловой древесины.
Вследствие буреломных повреждений часть деловой древесины переходит в дрова и отходы, в связи с чем объем этих категорий увеличивается. Увеличение выхода дровяной древесины определяется на основе полиноминального уравнения пятой степени в зависимости от среднего диаметра древостоя.
Увеличение выхода отходов вследствие буреломных повреждений определяется как разность между процентом уменьшения выхода всей деловой древесины и процентом увеличения выхода дровяной древесины
Р(О) = P(D) - Рф)
где Р(О) - увеличение выхода отходов, %;
P(D) - уменьшение выхода общего объема деловой древесины, %;
P(Dd) - увеличение выхода дровяной древесины, %
Коэффициенты созданных моделей зависят от древесного вида и класса товарности.
Выход категорий крупности деловой древесины до повреждения определяется на основе данных товарных таблиц [6], также преобразованных в математические модели путем аппроксимации полиноминальными уравнениями 4-5 степени. Коэффициент детерминации при этом достаточно высок и для деловой древесины составляет 0,832-0,993.
При ресурсной оценке лесных насаждений, имеющих комбинированный ветровально-буреломный тип повреждения, определяется процентное соотношение буреломных и ветровальных повреждений на данном участке, после чего рассчитываются коэффициенты, корректирующие процент потерь деловой древесины в зависимости от степени представленности того или иного типа повреждения.
С целью автоматизации расчетов по ресурсной оценке поврежденных лесных насаждений разработан соответствующий вычислительный алгоритм и специализированный программный модуль на платформе ГИС MapInfo Professional с использованием специализированного языка программирования данной геоинформационной системы MapBasic. Для использования информации из повыдельной базы данных таксационных описаний лесных насаждений в формате
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
63
ЛЕСОВЕДЕНИЕ, ЛЕСОВОДСТВО И ТАКСАЦИЯ ЛЕСА
MsAccess созданы соответствующие запросы. Результаты вычислений записываются в базу данных, а также могут экспортироваться в MsExcel для вывода на печать.
В результате работы созданного программного обеспечения формируются следующие документы:
- тематические карты поврежденных лесных участков как на уровне лесного хозяйства, так и на уровне лесничеств;
- ведомости распределения площадей и запасов поврежденных лесных участков по типам повреждений;
- поквартальные и повыдельные ведомости оценки площадей и запасов деловой древесины на поврежденных лесных участках по группам пород;
- поквартальные и повыдельные ведомости оценки площадей и запасов деловой древесины на поврежденных лесных участках с распределением по древесным породам.
Опытная проверка разработанной технологии и программного комплекса проводилась на поврежденных участках лесных насаждений Червенского и Березинского лесхозов на основе использования материалов космической съемки системы ALOS. Следует отметить, что отклонения по выходу отдельных категорий деловой древесины достигают 15-25 % по сравнению с данными, полученными лесхозами в результате разработок ветровальных и буреломных лесосек. Таким образом, разработанную технологию и
программный комплекс можно использовать для обнаружения ветровальных и буреломных лесных насаждений, очагов их массовых усыханий, оперативного создания плановокартографических материалов, а также проведения предварительной ресурсной оценки поврежденных лесных насаждений.
Библиографический список
1. Цай, С.С. Оценка текущих изменений в лесном фонде на основе разновременных материалов космической съемки / С.С. Цай, М.А. Ильючик, С.В. Ковалевский // Труды БГТУ - Сер. Лесное хоз-во. - 2010. - Вып. XVIII. - С. 8-10.
2. Ильючик, М.А. Предварительная ресурсная оценка поврежденных лесных насаждений на основе данных дистанционного зондирования и ГИС-тех-нологий / М.А. Ильючик, С.С. Цай // Труды БГТУ
- Сер. Лесн. хоз-во. - Минск, 2011. - № 1 (139) -С. 26-29.
3. Кравцов, С.Л. Обработка изображений дистанционного зондирования Земли (анализ методов) / С.Л. Кравцов. - Минск: ОИПИ НАН Беларуси, 2008. - 256 с.
4. Лурье, И.К. Теория и практика цифровой обработки изображений / И.К. Лурье, А.Г. Косиков // Дистанционное зондирование и географические информационные системы. - М.: Научный мир, 2003. - 168 с.
5. Пушкин, А.А. Автоматизация тематического дешифрирования земель лесного фонда по материалам космической съемки / А.А. Пушкин // Труды БГТУ - Сер. Лесн. хоз-во. - Минск, 2011. - № 1 (139) - С. 48-52.
6. Нормативные материалы для таксации лесов Белорусской ССР / под общ. ред. В. Ф. Багинского.
- М.: ЦБНТИ, 1984. - 308 с.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЕЛИ ПОД ПОЛОГОМ КУЛЬТУР СОСНЫ НА СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВАХ В ЦЕНТРЕ РУССКОЙ РАВНИНЫ
М.В. РУБЦОВ, проф., зав. лабораторией Института лесоведения РАН, д-р с.-х. наук, Ю.Б. ГЛАЗУНОВ, научный сотрудник Института лесоведения РАН, канд. с.-х. наук, Д.К. НИКОЛАЕВ, научный сотрудник Института лесоведения РАН
Создание культур сосны в типичных для ели условиях произрастания имеет давнюю историю. Такие культуры во второй половине XIX в. создавал выдающийся лесовод К.Ф. Тюрмер в Поречье (Можайской р-н, Московской обл.). Они создаются и в насто-
ящее время. Целесообразность производства культур сосны в типичных для ели условиях произрастания связана с решением ряда задач: обоснованием главной породы, состава и структуры древостоя, возможности использования естественного возобновления пород
64
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2014
