Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Определение параметров состояния лесов на основе космических технологийи цифровых моделей местности 8
1.1. Мониторинг лесов национальных парков 8
1.1.1. Критерии и индикаторы устойчивого управления лесами 9
1.1.2. Обоснование показателей космического мониторинга состояния лесов 10
1.2. Применение космических технологий в мониторинге состояния лесов 13
1.2.1. Современные средства космических съемок. Информативность в целях изучения лесов 14
1.2.2. Возможности определения показателей состояния лесов по космическим снимкам 18
1.3. Возможности выделения типов условий местопроизрастания древостоя на основе цифровых моделей рельефа. 24
1.3.1. Экосистемные территориальные единицы растительного покрова 24
1.3.2. Лесотипологические территориальные единицы и их ландшафтная обусловленность 26
1.3.3. Возможности автоматизированного выделения типов условий местопроизрастания древостоя 28
1 .ЗАСистема морфометрических величин и их геофизический смысл 29
Выводы 34
ГЛАВА 2. Объекты исследований, Исходные материалы и методика работ 36
2. 1. Объекты исследований 36
2.1.1. Общие сведения 3 6
2.1.2. Комплексная физико-географическая характеристика национального парка 37
2.1.3. Особенности ландшафтной структуры территории исследований 44
2.2. Методы исследований полевого этапа 47
2.2.1. Таксационные нормативы определения параметров состояния леса 47
2.2.2. Методика полевых ландшафтных и лесотаксационных исследований 49
2.3. Камеральные методы ГИС-технологий 52
2.3.1. Подготовка, обработка и получения картографической информации. 52
2.3.2. Получение цифровой модели местности. 53
2.3.3. Классификация рельефа по морфометрическим величинам распределения геофизических полей. 56
2.3.4. Корреляционная связь между классами растительности и ПТК. 57
Выводы 58
ГЛАВА 3. Дешифрирование структуры растительного покрова по данным дистанционного зондирования . 59
3.1. Использование спектральных каналов LANDSАТ-7 для получения пространственной структуры леса 59
3.2.Методы анализа дистанционной информации 69
3.2.1 . Методы неуправляемой классификации (классификация без учителя). 73
3.3. Дешифрирование растительного покрова 75
Выводы 82
ГЛАВА 4. Индикаторные свойства древостоя в ландшафтах краевой зоны валдайского оледенения . 83
4.1. Особенности методики исследования древостоя. 83
4.2. Верификация дешифрирования структуры леса по результатам лесотаксационной съемки 84
4.3. Ландшафтная интерпретация местообитаний древесных пород 94
4.3.1. Характеристика условий местообитания ели. 94
4.3.2. Характеристика условий местообитания сосны 97
4.3.3. Характеристика условий местообитания мелколиственных пород. 102 Выводы 103
4.4. Пространственные особенности распределения запасов древостоя 103
Выводы 109
ГЛАВА 5. Ландшафтные условия местопроизрастания древостоя 111
5.1. Выделения типов условий местопроизрастания древостоя на основе анализа морфометрических величин 111
5.1.2. Интерпретация распределения морфометрических величин 113
5.1.3. Метод классификации поверхности рельефа. 122
5.2. Геофизическая дифференциации ПТК участка исследования 124
5.2.1. Классификация ПТК участка исследования на основе геофизической интерпретации морфометрических величин 124
5.2.2. Анализ связи структуры лесного покрова и рельефа по данным цифровой модели местности и сканерной космической съемки 138
Выводы 141
Заключение 143
Литература
- Критерии и индикаторы устойчивого управления лесами
- Комплексная физико-географическая характеристика национального парка
- Методы неуправляемой классификации (классификация без учителя).
- Верификация дешифрирования структуры леса по результатам лесотаксационной съемки
Введение к работе
Леса являются одним из основных компонентов природной среды, обеспечивая естественное регулирование большинства протекающих в экологической системе Земли процессов, что предопределяет необходимость максимального сохранения природных свойств лесов. Без учета структуры и динамики изменения состава лесов России, а также анализа природных и антропогенных процессов, происходящих в лесах, невозможны реальные прогнозы глобальных изменений природной среды. В официальной «Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 гг.» (Концепция устойчивого развития, 2003) приоритетными признаны научные исследования, направленные на совершенствование программно-методического обеспечения мониторинга лесов и лесного хозяйства (разработка высокоэффективных технологий получения достоверной и оперативной информации о лесах, использование ГИС-технологий и т.п.). Одним из приоритетных направлений государственной экологической политики РФ в плане устойчивого развития и поддержания биоразнообразия является развитие системы особо охраняемых природных территорий. Национальные парки являются элементами сети особо охраняемых территорий для осуществления долгосрочного экологического мониторинга. В отличие от других природоохранных объектов, национальные парки совмещают широкий спектр задач - охрану природного и культурного наследия, организацию отдыха населения, поиск путей устойчивого развития территории - и являются наиболее массовой и распространенной в мировой практике формой охраны природы.
В последние десятилетия многие исследователи пришли к выводу, что экологические и социальные функции лесов, структуру лесного фонда, рост и производительность лесов наиболее целесообразно рассматривать в пределах природно-территориальных комплексов -географических ландшафтов. Каждый ландшафт имеет относительно однородное геологическое строение, на основании которого в процессе длительного развития сформировался определенный, свойственный только ему набор форм рельефа, климата, почв, растительности, и состоящее из свойственных только данному ландшафту закономерно повторяющихся в пространстве основных морфоструктурных единиц ландшафта. Здесь происходят более упорядоченные процессы формирования, роста и развития древостоев, отмечается значительное снижение значений варьирования основных таксационных показателей.
ПТК различного уровня располагаются внутри ландшафта в строго определенном порядке. В совокупности они образуют определенную структуру (расположение составляющих частей), которая и называется морфологической структурой ландшафта. Принято считать, что это одно из важнейших свойств ландшафта, поскольку зная
закономерности расположения ПТК разного ранга внутри ландшафта, можно более целенаправленно и с минимальными затратами изучать земную поверхность для практических лесохозяйственных целей. Данные особенности строения географических ландшафтов оказывают существенное влияние на формирование породнотипологической структуры лесного фонда, рост и производительность древостоев. Вышеуказанные закономерности сказываются и на пространственном размещении древостоев в пределах ландшафтов.
Непосредственно для целей лесного хозяйства важнейшее значение имеет наличие нескольких свойств ландшафта, а именно:
внутриландшафтная повторяемость составляющих ландшафт морфоструктурных единиц, дающая возможность методом экстраполяции распространять изученные свойства фаций, урочищ и местностей с участков, на которых они были изучены, на всю территорию ландшафта;
закономерное примыкание ПТК друг к другу с образованием цепей с ритмичным и аритмичным чередованием, позволяющее на основе изучения этих закономерностей, применяя дистанционные методы, производить учет растительности с более высокой достоверностью;
закономерная вложенность ПТК друг в друга, на основании которой можно заранее знать, из каких морфоструктурных единиц состоит рассматриваемый ПТК более высокого ранга.
При применении ландшафтного подхода в лесном хозяйстве важнейшим понятием является тип условия местообитания. Пространственная структура типов условий местообитания обусловлена рельефом местности Рельеф ключевой компонент ландшафта и главный фактор разнообразия ландшафтной структуры и неоднородности внутри самого ландшафта. Рельеф является матрицей перераспределения на поверхности тепла и влаги. Пространственно-территориальные единицы ландшафта, характеризующие^ однородным V соотношением тепла и влаги, образуют определенный экотоп - набор условий для формирования растительного покрова. Внутри экотопов условия произрастания растительности могут значительно варьировать, что связано с неоднородностью литогенной основы. Так на хорошоувлажненных суглинках формируются папоротниковые ельники, а на песках сосняки-черничники. Внутри однородного поля распределения тепла и влаги могут формироваться несколько эдафотопов - типов условий местообитания растительности.
Типы условий местообитания растительности довольно строго и четко вписываются в ландшафтные границы, так как они существуют внутри ландшафта и подотчетны морфологической структуре природного ландшафта. Очень тесно типы условий местообитаний
перекликаются с такими понятиями как биогеоценоз, введенным в географию Сукачевым, и означающим однородный по своему составу, строению и структуре биоценоз в пределах однородной морфологической единицы.
К сожалению, ландшафтные закономерности в лесохозяйственной практике России до сих пор фактически не нашли широкого применения.
Актуальность темы. Для национальных парков России, расположенных преимущественно в лесной зоне, мониторинг лесов занимает главное место среди других видов экологического мониторинга - почв, подземных вод, воздушной среды и др. Лесной кодекс РФ (1997 г.) определяет мониторинг лесов как "систему наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда в целях государственного управления в области использования, охраны, защиты лесного фонда и воспроизводства лесов и повышенияих экологических функций". Единой законодательно утвержденной методики ведения экологического мониторинга лесов на территориях национальных парков России пока не существует, ее разработка находится на стадии экспериментальных исследований (Малышева, и др, 2002.). Многочисленные исследования, посвященные выработке критериев и показателей состояния лесов на основе аэрокосмических технологий, проводятся преимущественно для лесных территорий интенсивного хозяйственного использования или малоосвоенных, труднодоступных лесов Сибири и Дальнего Востока и ориентированы в основном на выявление участков с концентрацией промышленных рубок, гарей, техногенного загрязнения, погибших насаждений. В последнее время широкое распространение получили методы изучения растительного покрова на основе различных индексов (вегетационного, зеленой листовой площади растительного покрова, фотосинтетически активной радиации, поглощаемой растительностью и др.), представляющих собой результаты специальной обработки материалов многозональных съемок, в целях глобального мониторинга биомассы экосистем в связи с изменениями климата Земли. Разработки в области фонового мониторинга состояния лесов дистанционными средствами на региональном и локальном уровнях (для отдельных природоохранных территорий или массивов девственных лесов) не столь многочисленны.
Большинство общедоступных материалов космических съемок имеет малое и среднее разрешение, которое не позволяет получать развернутые характеристики состояния лесов в полном объеме. Ряд исследований продемонстрировали возможность заметного увеличения достоверности дешифрирования и получения более развернутых характеристик лесного покрова на основе применения априорной инфрормации, содержащейся в топографических и физико-географических материалах. Например, использование параметров цифровых моделей рельефа при автоматизированных формальных процедурах дешифрирования позволяет повысить достоверность классификации на 20-25% (Пузаченко, Козлов 2005).
В связи с быстрым прогрессом аэрокосмических технологий и важностью организации наблюдений за состоянием лесных экосистем на всей природоохранной территории разработка приобретает насущную необходимость. Поэтому выбор показателей для мониторинга состояния лесных экосистем, разработка геоинформационных технологий их определения по аэрокосмическим снимкам и увеличить степени достоверности дешифрирования и степени детальности является актуальной задачей
Цель диссертациии: разработать методику оценки состояния лесов на основе космических снимков с привлечением априорной информации цифровых моделей местности для национального парка «Валдайский».
В соответствии с целью основными задачами работы являются:
Обосновать показатели состояния леса, которые можно получить с использованием космических съемок. Выбрать источники космической информации с достаточной разрешающей способностью для целей лесного мониторинга охраны природы.
Разработать методику обработки космических изображений для автоматического построения карт пространственных характеристик состояния лесных угодий на основе стандартных и общедоступных прикладных программ математического обеспечения, а также методику повышения оценки информативности данных дистанционного зондирования.
Провести верификацию проведенного автоматического дешифрирования параметров состояния лесных угодий на основе полевых лесотаксационных исследований.
Разработать методики использования цифровых моделей местности для повышения качества дешифрирования параметров состояния лесов на основе моделирования потенциальных типов условий местообитания древесной растительности.
Получить показатели состояния лесов для Национального парка "Валдайский" на основе классификации космического спектрозонального снимка и цифровой модели местности.
Работа прошла апробацию на Четвертой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: "Шевченковская весна" КНУ им. Т.Г. Шевченко, г. Киев, март 2006 ("Выявление потенциальных типов условий местообитания лесной растительности на основе цифровой модели рельефа"); на XI ландшафтной конференции, Москва, МГУ, август 2006 ("Исследование структуры южно-таежного лесного покрова краевой зоны Валдайского оледенения на основе данных космической съемки Landsat"); в статье Akbari Н. Н. Role of forests in a filtration of polluted air. //Scientific Journal of the Islamic Associations of Iranian Students in Moscow. M.: № 9, Summer 2004. p. 45-48; в статье "Индикационные свойства древостоя в ландшафтах краевой зоны валдайского оледенения".//Вестник Московского университета, серия "География", № 6, 2006 г. (в печати).
Критерии и индикаторы устойчивого управления лесами
В России проблеме определения показателей состояния лесного покрова посвящено множество исследований (Киреев,1973; Калашников, 1987; Рожков, 1989; Исаев, Сухих, 1991; Мозолевская, 1996; Виноградов, 1998; Жирин, 1998; Страхов, 1998 и др.). Е. Г. Мозолевская (1996) предлагает следующие классификационные признаки выделения лесных экосистем для ведения мониторинга - природная зона и тип ландшафта, уровень промышленного освоения территории, лесистость и ее соответствие оптимальной, целевое назначение и группа лесов, климатические показатели и оценка климата по характеру его возможного влияния на лес, состав лесообразующих пород, возрастная структура лесов основных пород, их средние таксационные показатели, виды антропогенной нагрузки и ее степень. Главными показателями для характеристики состояния лесных насаждений являются: 1) структура древостоя - доля деревьев разных категорий состояния с указанием породы, ступени толщины, пораженности различными неблагоприятными факторами; 2) индекс состояния насаждений при явных признаках дефолиации деревьев; 3) доля и запас текущего и общего отпада; 4) класс устойчивости (категория состояния) насаждений.
A. А. Рожков, В. Т. Козак (1989) используют в качестве основных экологических показателей следующие: а) степень естественности лесов, % девственных и естественных лесов от лесопокрытой площади; б) целостность лесов, % насаждений от лесопокрытой площади (остальное - гари, вырубки, ветровалы и др.); в) средний возраст насаждений; г) средняя сомкнутость насаждений (в десятых долях единицы); д) площадь хвойных насаждений, % от лесопокрытой площади. Эти показатели характеризуют устойчивость лесов достаточно полно: их параметры сформировались под влиянием климатических факторов, лесных пожаров, вспышек массового размножения дендрофильных насекомых, „ эпифитотий грибных болезней, повреждений грызунами и копытными, лесохозяйственной, промышленной и прочей деятельностью человека.
Б. В. Виноградов предлагает наряду с фитоценотическими и зооценотическими показателями применять лесоценотические показатели для характеристики экологического неблагополучия территорий. В их число входят: лесистость, в % от зональной; относительная площадь хвойных, в % от- лесопокрытой площади; полнота древостоя; площадь спелых насаждений; относительная площадь древостоев, поврежденных болезнями и вредителями, в % от лесопокрытой площади; площадь залесенных гарей в % от лесопокрытой площади; площадь заболоченных гарей и вырубок в % от лесопокрытой площади и др.
Для характеристики устойчивости лесных экосистем В. М. Жирин предлагает использовать показатели, численные значения которых определены на основе соотношения площадей лесных и нелесньгх, покрытых и непокрытых лесной растительностью земель, площадей хвойных и лиственных насаждений с подразделением на высоко- и низкополнотные и выделением спелых древостоев, а также площадей производных лесов.
B. И. Сухих определяет структуру данных об экологическом состоянии лесов как информацию о динамике лесистости, площади хвойных и лиственных лесов, их видовом составе, полноте, возрастной структуре, приросте, площадях и концентрации гарей, вырубок, антропогенной деятельности на территории лесных земель, санитарно-лесопатологическом состоянии лесов.
Перечисленные показатели достаточно полно отражают состояние древостоев и определяются почти исключительно методами наземных обследований. Однако некоторые из этих показателей можно получить, используя аэрокосмические технологии сбора данных в целях мониторинга состояния лесов. Аэрокосмические методы при минимальном объеме наземных наблюдений обеспечивают пространственное представление динамики лесов, своевременное обнаружение неблагоприятных воздействий на лесные экосистемы, оценку их сохранности. Для больших по площади национальных парков, на территории которых есть труднодоступные районы, использование космических снимков становится необходимым и иногда единственным реальным способом регистрации неблагоприятных изменений состояния лесов.
На основе работ по обследованию состояния лесов особо охраняемых территорий с помощью дистанционных технологий, предложена многоуровневая организация системы наблюдений в национальных парках равнинных районов, с использованием комплекса показателей, адекватных международным критериям и индикаторам устойчивого управления лесами (Малышева, Орлова, Князева, 2002). Показатели разделены на две группы -универсальные для всех лесных природоохранных территорий и специальные, выбор которых определяется географическими особенностями территории парка. Универсальные показатели включают: лесистость - отношение площади покрытых лесом земель к площади территориальной единицы наблюдения (%); целостность - отношение площади покрытых лесом земель к площади лесных земель в пределах территориальной единицы наблюдения (%); доля участия насаждений основных лесообразующих пород - отношение площадей, занятых насаждениями лесообразующих пород (хвойными, твердолиственными) к площади покрытых лесом земель в пределах территориальной единицы наблюдения (%); доля водных объектов - отношение суммарной площади объектов гидрографии к площади территориальной единицы (%). К специальным показателям отнесены: заболоченность - отношение суммарной площади болотных комплексов к площади территориальной единицы (%); а также ряд других.
Комплексная физико-географическая характеристика национального парка
Геология и рельеф. Валдайская возвышенность, являющаяся водоразделом бассейнов Балтийского и Каспийского морей — один из наиболее крупных элементов орографии северозападной части России. Валдайский район расположен в краевой зоне последнего оледенения и имеет расчлененный разнообразный рельеф, который оказывает большое влияние на климат, воды, почвы, растительность. Рельеф в пределах областей Валдайского оледенения сравнительно молод: по данным радиоуглеродных датировок он сформировался около 16 тыс. лет назад. Возраст речной сети не более 8-9 тыс. лет. Все это обуславливает хорошую сохранность ледниковых форм рельефа. (Палеогеография и хронология верхнего плейстоцена и голоцена по данным радиоуглеродного метода, 1965 г.)
Территория сложена толщей палеозойских отложений (девона и карбона), залегающих на породах кристаллического фундамента. Верхнедевонские отложения представлены известняками, доломитами, мергелями, песчаниками, песками, алевролитами, алевритами, глинами, встречающимися на глубинах от 5-20 до 100-140 м, мощностью 400-700 м. Отложения карбона - известняки, мергели, глины, бокситы, бурые угли, пески, песчаники, мощностью 35-100 м - отмечаются на глубинах до 130 м. Палеозойские отложения перекрыты толщей четвертичных, в основном моренных отложений.
Формирование Валдайской возвышенности относится к началу кайнозойской эры, когда произошло поднятие восточной части Новгородской области. По сравнению с западными районами она поднялась на 100 - 200 м. На возвышенности стали образовываться реки, которые выработали глубокие долины. Многие современные реки (Мета, Полометь, Холова и другие) текут в древних долинах, образовавшихся в то время. Считается, что современный облик северной части Валдайской возвышенности сложился преимущественно в результате деятельности ледника. Наибольшее значение для Новгородской области имело последнее Валдайское оледенение. Московская морена распространена локально, представлена глинами и суглинками мощностью 50-70 м. Валдайская морена имеет повсеместное распространение. Суглинки, глины, реже песок и супеси с включениями гравия, гальки, валунов залегают на глубинах 0,5-50 м, мощностью 5-100 м. Материал морены сильно перемешан, содержит много валунов из кристаллических пород, принесенных льдом с севера. Роль других рельефообразующих факторов в формировании четвертичных отложений была гораздо более скромной. (Национальные парки России. 1996 г.)
Моренные образования - камы и озы, - сложенные разнозернистыми песками, распространены в районе г. Валдай и озера Боровно. Современные четвертичные озерно-аллювиальные образования находятся только вблизи крупных озер.
Рельеф территории расчлененный - многочисленные холмы и гряды (их относительная высота до 20-50 м, крутизна склонов 15-20 и более) чередуются с западинами, ложбинами стока и небольшими равнинами. Современный облик северной части Валдайской возвышенности сложился преимущественно в результате деятельности последнего Валдайского оледенения, мореные отложения которого имеют повсеместное распространение. Широко представлены и другие моренные образования - камы, озы, а также водноледниковые зандры. Флювиогляциальные пески от тонкозернистых до крупнозернистых с прослоями гравия, гальки и валунов, иногда супесей и суглинков, находятся на поверхности и имеют мощность 12-15 м. Встречаются озерно-ледниковые мелкозернистые пески с включениями гравия, гальки с прослоями глин, суглинков, супесей. Современные четвертичные озерно-аллювиальные распространены локально. Довольно широко встречаются болотные отложения с мощностью торфа от 0,8 до 4,5 м и более. Таким образом, почвообразующими породами являются в основном моренные отложения: валунные суглинки и супеси, флювиогляциальные пески озерно-ледниковые песчаные отложения.(Национальные парки России, 1996).
В районе исследований распространены валунные озы. Всего выделяются две системы озовых образований. Первая включает озовые гряды, прослеживающиеся от ст. Угловка в меридиональном направлении до бассейна р. Валдайка на расстоянии свыше 25 км. Они расположены по бортам доледниковых депрессий, параллельно озерам Боровинец, Байневское, Защегорье и Ужин. На юг от с. Малая Крестовая через д. Байнево и с. Шуя прослеживаются озовые гряды, объединяющиеся в гряду «Хреновская гора». Относительная высота ее достигает 25 м, ширина по верху 8-10 м. К югу от с. Защегорье озовая гряда теряет первоначальную форму, сменяясь платообразными моренными холмами, камовыми террасами и камами. Высота их 15-20 м, ширина по верху до 200 м. Они сложены суглинками и песками различной зернистости с линзами гравия; слоистость преимущественно горизонтальная, местами - косая, разнонаправленная.
При стаивании ледникового покрова в первую очередь освобождались повышенные участки рельефа, в депрессиях же глыбы льда не успевали полностью протаять и препятствовали стоку вод в наиболее глубокие их части. В прибортовой части депрессий возникали потоки талых вод, которые откладывали в своих руслах озы.
По мере стаивания глыб мертвого льда и заполнения водами депрессий отток вод из этих предледниковых бассейнов осуществлялся по углублениям, занятым в настоящее время озерами. В частности, одной из ложбин стока ледниковых вод является заболоченная долина, протянувшаяся от оз. Защегорье мимо деревень Кобылино и Едно и далее вдоль современной р. Валдаика. В расширениях этой ложбины сохранились озера Закидалово, Платишино и Мишнево, берега которых очень пологие, а сами озерные ванные имеют ложбинообразную форму и небольшие глубины, редко превышающие 4-7 м.
Вторая система озовых гряд протянулась от района озер Еглино и Ильменское на юго-восток по берегам Валдайского озера и его островам к бассейну Валдайки на расстояние свыше 15 км.
От д. Станки, находящейся на берегу Валдайского озера, по его озерной равнине с северо-запада на юго-восток вытянулась озовая гряда Болошовка, имеющая вид валообразной гряды и состоящая из отдельных холмов высотой 10-12 м. Склоны гряды асимметричны: южный - пологий (5-7), северный - очень крутой (30-45). Озовая гряда сложена песками различной зернистости, гравием, галькой, валунами. Встречаются линзы красно-бурых суглинков с большим количеством гальки. В направлении к Валдайскому озеру поверхность оза имеет уклон порядка 5-7 и плавно переходит в озерную равнину.
Продолжением Болошовского оза служит Островной оз, находящийся в 1 км на островах Валдайского озера. Он состоит из двух гряд: первая образует о-в Муравьиный, вторая - о-в Рябиновый. Впоследствии часть гряды была размыта водами ледника, стекавшими в озеро.
Долина Валдайки сформировалась после отступания ледника под действием талых вод. В первоначальный период сток по ней проходил на юг и юго-запад, и только позднее, когда ледник отступил далеко на север, направление стока изменилось на северо-восточное. Валдаика имеет типичные черты переориентированной реки, они имеет широкую плохо разработанную долину, большую заболоченность и слабое течение в русле.
Методы неуправляемой классификации (классификация без учителя).
Классификация является наиболее общим методом упорядочивания исследуемого явления. При классификации растительного покрова с использованием ДЦЗ пиксели изображения образуют элементарную территориальную единицу (ЭТЕ) с фиксированными размерами (в случае съемки Landsat 7 30x30 м). Для каждой ЭТЕ осуществляется измерение интенсивности отраженной солнечной радиации в разных спектральных зонах. Измеренная величина зависит от физических свойств отражательной поверхности, для лесных территорий это полнота древостоя, породный состав, параметры биопродукционного процесса (содержание хлорофилла, влаги, пигментов и др.). Задача классификации сгруппировать элементы классификации (пиксели или ЭТЕ) в группы (классы), так что бы различия дешифрировочных признаков между группами было больше, чем различия дешифрировочных признаков внутри групп.
Известно большое количество классификационных алгоритмов, в основе которых лежат отличные друг от друга способы членения исходного множества на непересекающиеся (в идеале) подмножества (Тикунов, 1997, Пузаченко, 2004). Основное различие может быть сделано между синтетическими и аналитическими способами классификации. Применяя аналитические методы, исследователь начинает с рассмотрения совокупности объектов как группы. Сначала эта группа подразделяется на две меньшие, что последовательно повторяется для всех сформированных групп до тех пор, пока не будет выполнено заданное правило остановки. Идея такого способа группировки состоит в том, что более значительные отличия должны определять менее существенные: общая структура группы должна определять подгруппы. Напротив, синтетические методы начинают с исследования индивидуальных объектов, которые объединяются в группы, которые, в свою очередь, объединяются в более крупные группы. Здесь «локальное» подобие преобладает над более значительными различиями.
В любом случае классификация строится на основе выделения групп подобных элементов классифицируемого множества по степени их сходства. Оценка сходства различия между элементами осуществляется на основе метрики. В качестве метрик, на основе которых оцениваются дистанции между конкретными элементарными объектами классификации, используются два типа измерений:
1. дистанции (различия) по многомерному объему сравниваемых объектов. Сравнение по размеру (объему) осуществляется с помощью дистанции Евклида: D hVlT2, где Xik - значение к- переменных в точке і (j), k — 1- m, m - число переменных, E - сумма m-разностей.
2. дистанции по различию форм сравниваемых объектов. Сравнения объектов по подобию строятся на основе дистанций, в основе которых лежат различного типа коэффициенты корреляции или скалярного произведения векторов.
Взаиморасположение объектов в многомерном пространстве, оцениваемое по двум типам метрик, совпадают только в том случае, если система линейна и изменения размеров не затрагивают изменений формы. В общем же случае, выбор метрики определяется тем, какие отношения представляются более важными для понимания организации системы.
Наиболее общим методом классификации может быть признан метод К-средних, в основе которого лежит процедура последовательной сходимости средних значений переменных в К - классах при заданной метрике. Число задаваемых классов определяется размерностью множества, то есть числом независимых базовых факторов. Обычно процедура строится следующим образом: 1) случайным образом выбираются К - начальных точек; 2) с каждой из К-точек сравниваются все остальные и по близости относятся к одной из них или к одному из К- множеств; 3) для каждого из множеств оценивается среднее значение каждой переменной; 4) все точки по метрике сравниваются с каждой из К- средних и по дистанции относятся к одному из К-множеств; 5) для каждого нового множества рассчитывается новый вектор средних значений переменных; 6) оценивается расстояние между новыми векторами и исходными; 7) если эти расстояния меньше некоторой заданной величины (точности), то классификация признается успешной, если же больше - то процедура повторяется.
Далее процедура классификации повторяется для каждого из К выделенных классов, но с учетом их собственной размерности пространства.
Частным случаем, метода К-средних является дихотомическая классификация, максимально удобная для классификации больших объемов данных. В отличие от строгого подхода, опирающего на предварительную оценку размерности, все множество данных на первом уровне разбивается на два подмножества, затем на втором уровне каждое из полученных подмножеств разбивается на два и так далее до восьмого уровня. Восемь уровней определяется предельными возможностями отображения, полученной классификации в 8 битном формате. Из теории информации известно, что разбиение множества на подмножества по двоичному основанию наиболее экономично и не приводит к существенным потерям информации (Пузаченко, Онуфреня, Алещенко, 2002)
Физический смысл полученных классов в наиболее простом случае описывается средними значениями переменных в каждом классе на разных иерархических уровнях классифицируемых переменных.
Как известно, надежность результатов дешифрирования характеризуется тремя факторами: достоверностью, полнотой и точностью распознавания объектов (Смирнов, 2005). Достоверность характеризует степень безошибочности распознавания, т. е. отсутствие перепутывания объектов (классов) дешифрирования. Полнота определяется отсутствием пропусков при дешифрировании, т. е. количеством извлекаемой из снимков информации. Параметр точности характеризует возможные ошибки в пространственном положении распознанных объектов относительно объектов с известными координатами (пункты геодезической сети) или относительно друг друга. Для оценки результатов автоматизированного дешифрирования лесов и возможности определения по ним показателей состояния лесов наиболее важен параметр достоверности. Показатели являются относительными площадными характеристиками, рассчитываемыми на основе выборочных данных, поэтому характеристика полноты и точности извлекаемой со снимков информации имеет второстепенное значение для оценки результатов дешифрирования и не рассматривается нами в данной работе, а употребление терминов «точность» и «вероятность» применительно к оценке надежности определения показателей подразумевает достоверность.
Верификация дешифрирования структуры леса по результатам лесотаксационной съемки
В пределах ландшафта моренной суглинистой равнины с камовыми холмами выделяются две местности: холмисто-грядовой моренной равнины и местность мелкохолмистых камовых супесчаных комплексов на суглинистой морене (рис. 4.3). Основной лесообразующей породой в данном ландшафте является ель. В пределах урочищ моренных холмов и гряд на вершинах холмов формируются типичные ельники кислично-зеленомошные на дерново-палевоподзолистых почвах. В этих местообитаниях сумма диаметров ели достигает для данного ландшафта достигает значительных величин и составляет в среднем 250-350 см. V Наиболее оптимальными для роста ели в пределах данного ландшафта являются пологие и пологопокатые склоны камовых холмов со слабосмытыми дерново-палевоподзолистыми почвами, на которых формируются типичные ельники-черничники, а в условиях карбонатной морены произрастают ельники широкотравно-папоротниковые. На пологих склонах сумма диаметров ели максимальна и составляет в среднем 450-550 см. Этот пик хорошо виден в начале 3-го и конце 2-го трансекта (рис. 4.3). На крутых склонах сумма диаметров ели значительно падает (200-300см), однако в некоторых точках может достигать внушительных значений - до 500 см (т. 46). Основной доминантой ель является и в урочищах плоских заболоченных днищ котловин с березово-еловыми чернично-осоковыми лесами на дерново-подзолистых контактно-осветленных почвах. В этих местообитаниях сумма диаметров ели составляет порядка 400-500см. Близкие данные получены и в других работах (Дыренков, 1984).
Для урочища низинного болота характерна наиболее высокая сомкнутость крон древостоя среди болотных типов леса. Плотность деревьев относительно высокая, так как деревья занимают небольшое жизненное пространство. Однако ель присутствует только в отдельных присклоновых местообитаниях. Выходы грунтовых минерализованных гидрокарбонатных вод и богатые вследствие этого элементами минерального питания низинные торфяные почвы, на хорошо разложившихся древесных торфах, создают наиболее благоприятные условия для произрастания ольхи, где у нее наблюдается наибольшие суммы диаметров стволов (рис. 4.3).
Благоприятные условия для ели формируются в местности мелко-холмистых камовых супесчаных комплексов на суглинистой морене. Данная местность характеризуется наличием относительно мощного двучлена, в условиях которого почвы обладают высокими аэрационными способностями и не способны к сильному переувлажнению. Под двучленом в нашей работе мы подразумеваем мощность верхней, облегченной по мехсоставу толщи четвертичных отложений. Наибольшие суммы диаметров ели 600-700 см выявлены в пределах урочищ выпуклых вершинных поверхностей камовых холмов с майниково-кислично-папоротниковыми ельниками на иллювиально-железистых дерново-подзолистых двучленных почвах. На рис. 4.3., в окрестности точки 80, хорошо видна приуроченность максимальных сумм диаметров ели к вершинам и склонам камовых холмов, перекрытых супесчано-алевритовыми отложениями. Условия местообитания в пределах возвышенной местности мелкогрядово-холмистых супесчаных камов на озовых конусах выноса являются для ели наиболее оптимальными в пределах исследуемой территории. Относительно благоприятные условия для формирования ельников образуются в пределах урочищ крутых и крутопокатых склонов холмов с еловыми и сосново-еловыми папоротниково-майниково-кисличными лесами на сильносмытых иллювиально-железистых дерново-подзолистых двучленных почвах. Суммы диаметров в этих условиях местообитания достигают 350-450 см.
Перейдем к характеристике местообитаний еловых насаждений в пределах ландшафта камово-озовой песчано-супесчаной равнины. В условиях данного ландшафта ель является субдоминантной древесной породой на фоне преобладания сосны и мелколиственных пород. Суммы диаметров составляют в среднем 150-200 см.
Наиболее оптимальные условия для формирования ельников соответствуют в этом ландшафте абрадированным плоским вершинным поверхностям с еловыми чернично-майниковыми лесами на иллювиально-железистых дерново-подзолистых двучленных почвах, с суммой диаметров 300-350 см. На рисунке 4.3. видно, что на вершинных поверхностях есть «белые» пятна (т. 120), соответствующие массовым вывалам ельников. Массовый вывал ели характерен для данного региона после крайне засушливого летнего сезона 1999 года (Восточноевропейские леса, 2004). Нетипичные для ельников местообитания формируются в данном ландшафте в пределах пологонаклонных, ровных поверхностей зандров с осиново-березово-еловыми кислично-зеленомошными лесами на дерново-палевоподзолистых почвах. В этих местообитаниях сумма диаметров составляет в среднем всего 80-100 см, на рисунке 4.3. видно (т. 130), что в данных местообитаниях береза является доминантной породой и имеет большую сумму диаметров (Дыренков, 1984).
В пределах ландшафта озерно-водно-ледниковой равнины с песчаными грядами (начиная со 144-ой точки и далее по трансекту) в некоторых местообитаниях также наблюдаются относительно высокие суммы диаметров ели (300-350 см.). Благоприятные местообитания для ельников в данном случае связаны с богатым субстратом почв в долине ручья, где формируются перегнойно-глееватые и аллювиальные почвы.
В условиях заболоченной местности озерно-водно-ледниковой равнины, с редкими урочищами дюнных песчаных гряд формируются неблагоприятные условия для роста и развития ельников. С точки 160 суммы диаметров ели резко падают, еловые ассоциации встречаются лишь на склонах и в депрессиях понижений, сумма диаметров в данных условиях местообитания составляет в среднем 250 см. и менее (т. 210) (рис. 4.3.). Более высокие показатели суммы диаметров ели в конце графика приурочены к условиям местообитаний подножий и склонов камовых холмов ландшафта камово-озовой песчано-супесчаной равнины.
43.2. Характеристика условий местообитания сосны
Типичные местообитания сосны формируются в пределах местности мелкохолмистых камовых супесчаных комплексов на суглинистой морене ландшафта моренной суглинистой равнины с камовыми холмами, сложенными мощными песчаными отложениями. Данные местообитания представлены урочищами холмистых камов с песчаными контактно осветленными дерново-подзолистыми почвами. Плоские межхолмовые понижения с пушицево-сфагновыми с сабельником верховыми и переходными болотами также характеризуются преобладанием сосны в древостое. Средние суммы диаметров сосны в пределах данных типах местообитаний составляют в среднем 250-300 см. Данные местообитания хорошо индицируются сосной в начале нашего графика (т. 1-10 на рис. 4.3) Причем суммы диаметров сосны в этих контрастных по условиям местообитаниях почти не отличаются друг от друга. Это связано с разной плотностью стволов, на болоте условия неблагоприятные и при малых запасах древесины там произрастает большее количество стволов на единицу площади, чем на сухих песках, где деревья занимают значительно большее жизненное пространство (Загреев, 1978).
Для сосны в сухих местообитаниях не было получено большого ряда данных по возрастной структуре, в поле были собраны таксационные показатели лишь по двум деревьям, по которым невозможно провести статистический анализ. Однако на основе системы уравнений с двумя неизвестными мы получили приблизительную, но недостоверную, зависимость диаметра ствола от возраста дерева (для сосны): у (диаметр) = 0,3 х (возр.) + 7,5.
Наиболее характерные участки произрастания сосны в данной местности приурочены к урочищам выпуклых вершинных поверхностей камовых холмов на иллювиально-железистых двучленных подзолистых почвах. В этих местообитаниях формируются сосняки майниково-кисличные и травяно-кустарничковые. Суммы диаметров составляют в среднем 250-ЗООсм. На графике эти местообитания приурочены к точкам 63-75.
Наличие корреляционной связи (хоть и слабой) суммы диаметров сосны с мощностью двучлена (р=0,44) подтверждает зависимость пространственной дифференциации местообитаний сосняков от мощности двучлена (рис. 4.5).
