Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологический мониторинг лесов и его особенности для территорий национальных парков. аэрокосмические технологии 10
1.1. Система природоохранных территорий 10
1.1.1.Задачи и функции национальных парков России 12
1.1.2. Проблемы и перспективы развития системы национальных парков 13
1.2 Параметры экологического мониторинга лесов 15
1.2.1. Международные критерии и индикаторы сохранения и устойчивого управления лесами 17
1.2.2. Обоснование показателей аэрокосмического мониторинга состояния лесов 20
1.3 Применение аэрокосмических технологий в системе экологического мониторинга лесов 23
1.3.1. Современные средства космических съемок и оценка их информативности в целях изучения лесов 24
1.3.2. Возможности определения показателей экологического мониторинга состояния лесов по космическим снимкам 29
Выводы 35
Глава 2. Определение показателей состояния лесных экосистем по космическим снимкам 37
2.1. Географические особенности территорий рациональных парков 37
2.2. Характеристика космических снимков и программных средств их обработки 40
2.3. Технология определения показателей состояния лесных экосистем 42
2.3.1. Предварительная компьютерная обработка снимков 42
2.3.2. Определение набора классов и источников информации для автоматизированного дешифрирования лесов 48
2.3.3. Создание обучающих эталонных участков и оценка их качества 52
2.3.4. Алгоритмы контролируемой классификации и оценка достоверности распознавания классов 54
2.3.5. Алгоритмы неконтролируемой классификации и оценка достоверности распознавания классов 71
2.3.6. Определение показателей состояния лесных экосистем для выбранных единиц наблюдения 80
2.4. Сравнительный анализ достоверности классификации, выполненной по различным алгоритмам 81
2.5. Влияние параметров древостоя на спектральные характеристики лесного полога 84
Выводы 92
Глава 3. Разработка системы карт для экологического мониторинга лесов по аэрокосмическим снимкам 94
3.1 .Картографо-аэрокосмическое обеспечение экологического мониторинга лесов территории НП «Куршская коса» 95
3.2. Обоснование и разработка базовой карты для мониторинга лесов НП «Куршская коса» 98
3.2.1. Разработка легенды базовой карты экосистем Куршской косы 100
3.2.2. Характеристика растительности и ландшафтов на территории НП «Куршская коса» 101
3.2.3. Методика картографирования экосистем Куршской косы 106
3.3. Создание серий карт динамики показателей общего экологического мониторинга 119
3.3.1. Карты динамики показателей мониторинга состояния лесов для НП «Куршская коса» 119
3.3.2. Карты динамики показателей мониторинга состояния лесов для НП «Водлозерский» 129
3.4. Карты для специальных видов мониторинга отдельных объектов НП «Куршская коса» 132
3.4.1. Карта экологического состояния дюнного вала 136
3.4.2. Карта повреждения насаждений вследствие ветровалов 139
3.5. Морфометрические карты рельефа Куршской косы 141
Выводы 147
Заключение 150
Список литературы 154
Приложение
- Международные критерии и индикаторы сохранения и устойчивого управления лесами
- Определение набора классов и источников информации для автоматизированного дешифрирования лесов
- Обоснование и разработка базовой карты для мониторинга лесов НП «Куршская коса»
- Карты для специальных видов мониторинга отдельных объектов НП «Куршская коса»
Введение к работе
Природоохранные территории различного ранга (биосферные резерваты, заповедники, национальные парки, заказники, стационары), полностью или частично исключенные из интенсивного хозяйственного использования, играют особую роль в экологическом мониторинге состояния лесов, необходимость которого обусловлена постоянно прогрессирующим увеличением техногенного загрязнения окружающей среды, длительной и интенсивной эксплуатацией лесных ресурсов. В условиях нарастания признаков глобального экологического кризиса особо охраняемые природные территории (особенно национальные парки и биосферные резерваты ввиду своих крупных размеров) приобретают международное значение. В современном мире национальные парки (НП) рассматриваются в качестве элементов сети особо охраняемых территорий для осуществления долгосрочного экологического мониторинга и признаются в качестве эталонов фонового состояния природной среды. 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.
Актуальность темы. На национальные парки действующим законодательством Российской Федерации возложены важные задачи разработки и внедрения научных методов охраны природы, организации и ведения экологического мониторинга с целью сохранения или восстановления нарушенных природных комплексов, уникальных и эталонных природных участков и объектов (Федеральный закон РФ "Об особо охраняемых природных территориях", 1995). Для национальных парков, расположенных преимущественно в лесной зоне, экологический 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 повышения их экологических функций". Экологический мониторинг лесов информационно, технически и технологически базируется на отраслевом многоцелевом мониторинге лесов, являясь его составной частью, и может рассматриваться как система наблюдений, которая оперирует интегральными показателями и критериями, позволяющими оценивать и прогнозировать динамику состояния лесных сообществ под влиянием природных и антропогенных факторов. Единой законодательно утвержденной методики ведения экологического мониторинга лесов на территориях национальных.парков России пока не существует, ее разработка находится на стадии экспериментальных исследований.
Многочисленные исследования у нас в стране и за рубежом, 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, фотосинтети-чески активной радиации, поглощаемой растительностью и др.), представляющих собой результаты специальной обработки материалов многозональных и гиперспектральных 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. Одним из первых объектов, на примере которого разрабатывались принципы и методы ведения экологического мониторинга лесов по космическим снимкам в нашей стране, являлась водоохранная зона озера Байкал (Малышева, 1996; Жирин, 1998; Методология состояния экосистем, 2000). Эти пионерные исследования послужили базой как для теоретической, так и экспериментальной частей диссертационной работы автора.
Картографическое обеспечение аэрокосмического мониторинга лесов достаточно детально разработано для целей лесного хозяйства. Наиболее полный обзор существующих и рекомендуемых карт относится к 1991 году (Калашников, Малышева, Сухих, 1991). Однако предложенная система карт отражает преимущественное развитие на тот момент спутниковых фотографических систем, которые в настоящее время практически полностью заменены многозональными оптико-электронными сканирующими системами. Создание карт рассчитано на прежние методы и средства обработки снимков, которые также претерпели значительные изменения с появлением и совершенствованием геоинформационных технологий. Система карт ориентирована на решение задач отраслевого мониторинга лесов в целях лесного хозяйства. Подобной детальной разработки системы карт для целей охраны природы и ведения мониторинга на природоохранных территориях пока не существует.
В настоящее время накоплен большой фонд карт экологического содержания, созданных на основе аэрокосмических технологий, но мало работ по обоснованию системы карт в целях экологического мониторинга лесного покрова, особенно на локальном уровне - для территории национального парка. В этой области можно выделить изданный в 2003 г. Атлас малонарушенных лесных территорий России, однако содержание карт атла са обеспечивает только решение задач мониторинга распространения лесов на глобальном и региональном уровнях. Многочисленные примеры экологического картографирования растительности приведены в Аннотированном библиографическом указателе карт и атласов по экологии России (Комедчиков, Лютый, 1995), а опыт применения космических методов для создания карт всесторонне рассмотрен в атласе космических снимков и составленных по ним карт (Космические методы геоэкологии, 1998). Интерес к экологическому картографированию в современном обществе неуклонно растет. В 2002 году вышли 2 фундаментальных атласа, отражающих состояние окружающей среды на национальном уровне - Экологический атлас России и Природные ресурсы и экология России: Федеральный атлас. В том же году издан Географический атлас Калининградской области, большой блок карт в котором посвящен экологическим проблемам, а картографическому представлению природных комплексов национального парка «Куршская коса» и заказника «Вислинская коса» выделен особый раздел.
В связи с быстрым прогрессом аэрокосмических технологий и важностью организации наблюдений за состоянием лесных экосистем на всей природоохранной территории разработка системы картографического обеспечения мониторинга приобретает насущную необходимость. Поэтому выбор показателей для мониторинга состояния лесных экосистем, разработка геоинформационных технологий их определения по аэрокосмическим снимкам и представления в наглядном картографическом виде является актуальной задачей, которая соответствует разделу 7.1. «Технологии мониторинга природно-техногенной сферы» утвержденных приоритетных направлений развития науки и техники в нашей стране.
Цель диссертационного исследования состоит в развитии аэрокосмических и картографических технологий экологического мониторинга лесов национальных парков посредством разработки соответствующей системы карт и методики их создания по аэрокосмическим снимкам.
Для достижения поставленной цели было необходимо:
• обосновать возможность получения показателей состояния лесных экосистем на территориях национальных парков по аэрокосмическим снимкам и разработать технологию определения показателей на основе компьютерной обработки снимков;
• провести сравнительный анализ достоверности автоматизированного дешифрирования лесных экосистем по космическим снимкам, выполненного по различным алгоритмам;
• дополнительно исследовать зависимость спектральных характеристик древесной растительности от биометрических параметров древостоев;
• обосновать содержание и разработать методику составления базовой карты для экологического мониторинга лесов национальных парков;
• создать серию электронных карт динамики состояния лесных экосистем.
Структура диссертационной работы обусловлена целью исследования и включает три главы. Первая глава посвящена рассмотрению особенностей экологического мониторинга лесов на территориях национальных парков исходя из целей и задач этой формы природоохранных территорий, выбору и обоснованию показателей для ведения мониторинга дистанционными средствами и перспективам аэрокосмических технологий в свете быстро развивающихся новых съемочных систем. Во второй главе проанализированы достоверности определения показателей экологического мониторинга состояния лесов на примере собственных экспериментальных работ по автоматизированному дешифрированию лесов по космическим снимкам для территорий трех национальных парков - «Курш-ская коса» (Калининградская обл.), «Водлозерский» (Республика Карелия и Архангельская обл.); «Лосиный остров» (Москва и Московская обл.) и исследована зависимость спектральных характеристик лесного полога на космических снимках от биометрических параметров насаждений. В третьей главе предложена и обоснована система картографического обеспечения аэрокосмического мониторинга состояния лесов на примере территории НП «Куршская коса»: обосновано содержание и легенда, детально описана методика составления базовой карты, рассмотрены различные варианты создания карт динамики показателей состояния лесных экосистем и особенности получения морфометрических карт рельефа.
Материалами для исследовательских работ служили разновременные космические снимки, полученные отечественными и зарубежными спутниковыми системами (Космос, Ресурс-Ф и Ресурс-О, SPOT-4, Landsat-7, IRS-1, Terra, Ikonos, QuickBird), спек-трозональные аэрофотоснимки, топографические и тематические карты (ландшафтные, геоботанические и др.), таксационные данные лесоустройства и результаты наземных специальных обследований на ключевых участках (пробных площадях, пунктах наблюдений, профилях и трансектах).
Научная новизна работы заключается в:
- научном обосновании комплекса показателей экологического мониторинга, характеризующих состояние лесных экосистем на территориях национальных парков и разработке технологии получения этих показателей способом компьютерной обработки космических снимков;
- установлении новых зависимостей между параметрами древостоя и спектральными яркостями лесного полога и значениями вегетационных индексов, позволяющих повысить достоверность распознавания классов с преобладанием хвойных или лиственных пород;
- предложении целостной системы карт для ведения экологического мониторинга состояния лесов аэрокосмическими методами (на примере территории НП "Куршская коса");
- обосновании концепции, разработке содержания и методики составления типовой базовой карты и серии карт динамики показателей состояния лесных экосистем.
Достоверность полученных результатов обеспечивается многократными проверками результатов исследований посредством полевых наземных обследований, представительностью и репрезентативностью экспериментального материала, использованием современных методов обработки и анализа данных.
Диссертационное исследование в своей теоретической и методологической части базируется на достижениях отечественных школ географической картографии, биогеоцено-логии и аэрокосмических исследований лесов, основанных К. А. Салищевым, В. Б. Соча-вой, В. Н. Сукачевым, Г. Г. Самойловичем, и представленных в трудах их учеников и последователей.
Практическая значимость работы обусловлена потребностями национальных парков в методике организации и ведения экологического мониторинга лесов, включающей применение аэрокосмических снимков и карт в системе мониторинга. Результаты диссертационного исследования используются в научной и производственной деятельности национального парка «Куршская коса», в учебных курсах по геоинформационному картографированию и дистанционным методам в лесном хозяйстве в Институте повышения квалификации руководящих работников и специалистов лесного хозяйства, Московском государственном университете леса.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований представлены автором на 8 международных и российских конференциях: Третья научно-практическая конференция «Экологические проблемы сохранения исторического и культурного наследия» (Бородино, 1998), Международная научно-практическая конференция «Коренные леса таежной Европы: современное состояние и проблемы сохранения» (Петрозаводск, 1999), Международный экологический конгресс «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000), Всероссийская научная конференция «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001), II Всероссийская научная конференция «Картография XXI века: теория, методы, практика» (Москва, 2001), III Всероссийская научная конференция «Аэ рокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 2002), XII Международный лесной конгресс (Канада, Квебек, 2003), XXI Международная береговая конференция «Прибрежная зона моря: морфолитодинамика и геоэкология» (Светлогорск, 2004), а также на семинарах кафедральной лаборатории аэрокосмических методов и заседаниях кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
По теме диссертации автором опубликовано 18 научных работ.
Диссертация подготовлена в период с 2001 по 2005 гг. на кафедре картографии и геоинформатики географического факультета МГУ в лаборатории аэрокосмических методов на основе исследований, проведенных автором в Центре экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН); во Всероссийском научно-исследовательском институте лесоводства и механизации лесного хозяйства (ФГУ ВНИИЛМ). Работу над диссертацией предваряли экспериментальные работы автора, выполненные с 1997 по 2002 гг. во Всероссийском научно-исследовательском и информационном центре по лесным ресурсам (ВНИИЦлесресурс).
Благодарности. Автор признателен заведующему кафедрой картографии и геоинформатики д. г. н., профессору А. М. Берлянту за доброжелательное отношение и поддержку и выражает глубокую благодарность научному руководителю д. г. н., профессору Ю. Ф. Книжникову и своим коллегам, под руководством и при непосредственном участии которых проведены исследования - к. г. н. Н. В. Малышевой, О. Л. Орловой, д. с.-х. н. В. М. Жирину, а также профессору В. И. Сухих, к. с.-х. н. И. А. Вуколовой, к. б. н. Л. Е. Курлович, Т. А. Золиной, А. Н. Югову, к. с.-х. н. А. В. Шаталову, С. П. Эйдлиной. Автор особо благодарен д. г. н. В. И. Кравцовой, к. г. н. Т. Г. Сватковой, к. г. н. И. А. Лабутиной, к. г. н. Е. А. Балдиной, к. г. н. О. В. Тутубалиной, сотруднику лаборатории комплексного картографирования Н. М. Киселевой и всем сотрудникам кафедры картографии и геоинформатики за полезные замечания, высказанные при обсуждении диссертационной работы. Автор признателен д. г. н., профессору кафедры ландшафтоведения и физической географии В. А. Николаеву за научную консультацию, сотрудникам кафедры геоморфологии и эволюционной географии д. г. н. Л. А. Жиндареву, к. г. н. С. А. Лукьяновой и к. г. н. Г. Д. Соловьевой за советы и предоставленные материалы. Особую благодарность автор выражает администрации и сотрудникам НП «Куршская коса» за лесоустроительные и другие данные, предоставленные для диссертации, за помощь в проведении полевых работ.
Международные критерии и индикаторы сохранения и устойчивого управления лесами
Задачи глобального мониторинга состояния лесов и устойчивого управления лесами решаются в рамках международного сотрудничества (Хельсинская конференция по вопросам устойчивого управления лесами Европы 1993 г., Монреальский процесс по выработке критериев и индикаторов для сохранения умеренных и бореальных лесов 1994 г., Севиль-ская стратегия для биосферных резерватов 1995 г., конференции Международной ассоциации исследований бореальных лесов (IBFRA) и т. д.). Важная роль лесов особоохраняемых территорий заключается в сохранении биоразнообразия и устойчивости лесных экосистем для поддержания экологического баланса на региональном и биосферном уровне. Для осуществления такого мониторинга необходим унифицированный набор показателей, который бы обеспечивал контроль устойчивого управления лесами и сохранение их биологического разнообразия. Международным научным сообществом предложены критерии и индикаторы для сохранения и устойчивого управления лесами, представляющие собой количественные и качественные характеристики состояния лесных экосистем.
Подход к устойчивому управлению лесами, отраженный в критериях и индикаторах, предполагает рассмотрение лесов как экосистем. Сущность его состоит в переходе от потребительской эксплуатации лесных ресурсов к принципам неистощительного пользования лесами в рамках экосистем. Мониторинг лесов в такой концепции рассматривается как периодическое и систематическое измерение и оценка изменений индикаторов для характеристики критериев. Критерий описывает различные стороны устойчивости на уровне понятий, т.е. представляет собой категорию условий или процессов на основе которых может быть оценено устойчивое управление лесами. Критерий характеризуется совокупностью соответствующих индикаторов, мониторинг которых производится периодически с целью оценки происходящих изменений. Индикатор является мерой качественной или количественной стороны критерия. Его следует рассматривать не как отдельную единичную оценку критерия, а как ряд характеристик за определенный период с целью выявления тенденций изменения критерия. Признано также, что сам по себе какой-либо критерий или индикатор не служит признаком устойчивого управления лесами, а действует только в контексте и в совокупности с другими критериями и индикаторами. В таблице 1 приведены международные критерии устойчивого управления лесами и выборочные индикаторы.
Каждая страна уникальна по своим лесным ресурсам и поэтому требуются соответствующие количественные и качественные параметры для характеристики состояния лесов на ее территории. В связи с этим особую важность приобретают количественные индикаторы, которые легко измеримы и универсальны как по методу сбора данных, так и по возможности применения для оценки состояния различных лесных экосистем. На основе международных параметров для мониторинга лесов России разработаны и предложены следующие основные экологические критерии и индикаторы (Страхов, 1998). Критерий 1 - Поддержание и сохранение продуктивной способности лесов. Индикаторы - Доля площади эксплуатационных лесов относительно общей площади лесных земель; доля площади покрытых лесной растительностью земель относительно общей площади лесных земель; отношение допустимого (расчетного) объема древесины к фактически вырубаемому объему; запасы и объемы использования недревесной продукции леса и др. Критерий 2 - Поддержание санитарного благополучия и жиз}іеспособности лесов. Индикаторы — Общая площадь лесов, усыхающих или погибших под воздействием неблагоприятных факторов: пожаров, вредителей и болезней, промышленных выбросов, прочих факторов; площадь лесов, загрязненных радионуклидами; площадь лесов, подвергаемых действию оцениваемых воздушных поллютантов. Критерий 3 - Сохранение и поддержание защитных функций лесов. Индикаторы - Доля лесной площади, используемой для защиты почв от эрозии; доля лесной площади, используемой для водоохранных целей; доля лесной площади, используемой для других защитных функций: притундровые, субальпийские леса.
Индикаторы — Доля площади покрытых лесной растительностью земель, занимаемая хвойными, твердолиственными и мягколиственными насаждениями, относительно общей площади покрытых лесом земель; доля площади земель, покрытых лесной растительностью, по основным лесообразующим породам от общей площади покрытых лесом земель; доля площади земель, покрытых лесной растительностью, по классам и группам возраста; доля площади особо охраняемых лесных территорий от общей площади земель лесного фонда; фрагментарность лесов; общее накопление углерода в лесных насаждениях и по основным лесообразующим породам.
Определение перечисленных индикаторов предусматривается в основном по статистическим материалам Государственного учета лесного фонда России (ГУЛФ). Однако для некоторых количественных площадных параметров по нашему опыту вполне возможно применение аэрокосмических методов сбора данных, что существенно с точки зрения сравнения национальных индикаторов с международными. В России проблеме устойчивости лесных экосистем, определению показателей для мониторинга состояния лесного покрова, оценке экологических условий 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 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.
В работе «Устойчивость лесов» А. А. Рожков и В. Т. Козак 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 дендрофиль-ных насекомых, эпифитотий грибных болезней, повреждений грызунами и копытными, лесохозяйственной, промышленной и прочей деятельностью человека.
Определение набора классов и источников информации для автоматизированного дешифрирования лесов
Набор классов для автоматизированного дешифрирования зависит от нескольких факторов. Главным является цель дешифрирования - распознавание лесных объектов с характеристиками, необходимыми для получения показателей состояния лесов. Для получения показателей состояния лесных экосистем, предложенных в главе 1, необходимо классифицировать по снимку территорию национального парка на лесные и нелесные (луга, болота, пески, водные объекты, сельскохозяйственные земли, поселки, дороги и др.). Лесные территории разделить на покрытые лесом и непокрытые (вырубки, прогалины, несомкнувшиеся лесные культуры, места ветровалов, погибшие насаждения). Покрытые лесом земли должны быть классифицированы по преобладающему породному составу (а при возможности и по возрастным градациям), степени заболоченности, нарушенности вследствие различных факторов.
Другим фактором является доступность и полнота источников информации для создания надежных обучающих эталонов дешифрирования при использовании контролируемой классификации или для достоверной интерпретации результатов дешифрирования, полученных при применении неконтролируемой классификации. В качестве основных источников информации для дешифрирования перечисленных классов нами предложено использовать отраслевые материалы лесоустройства, включающие карто-схемы и лесоустоительные планшеты с контурами лесохозяйственных кварталов и выделов и таксационные базы данных с биометрическими параметрами насаждений выделов; топографические карты масштабов 1:25 000 - 1:200 000. Эти материалы удовлетворяют всем условиям, предъявляемым к источникам информации по точности, полноте и достоверности предоставляемых данных, а также по степени изученности (покрытия) территории. Дополнительными источниками могут служить данные наземных обследований на ключевых участках (пробных площадях, пунктах наблюдений, трансектах, экологических маршрутах), тематические карты (ландшафтные, геоботанические и др.), материалы аэросъемок. Эти данные могут быть очень ценными с точки зрения их достоверности и близости по времени к датам космической съемки территории, однако они очень часто фрагментарны, разрознены и не могут обеспечить характеристику всей дешифрируемой территории, но очень полезны для совместного использования с основными источниками информации.
Топографические карты необходимы для дешифрирования кустарниковой и луговой растительности, садов, разных типов болот, пастбищ, пашен, грунтов, водных объектов, застроенных территорий и других возможных объектов, расположенных на нелесных землях национальных парков. Топографические карты целесообразно также использовать для получения информации о лесной растительности на всей территории национального парка, так как в материалах лесоустройства подобные сведения даны только для земель, относящихся к государственному лесному фонду, а на территории национального парка могут быть участки леса, находящиеся в другой собственности. Однако необходимо прйнимать во внимание сроки составления или обновления топографической карты, оценивать актуальность информации (Верещака, 2002).
Для дешифрирования на снимках лесной растительности мы рекомендуем использовать материалы лесоустроительных работ, по возможности проведенных на территории национального парка в сроки, близкие по времени к дате съемки. При лесоустройстве в ходе наземного обследования каждого лесотаксационного выдела определяют биометрические параметры насаждений (состав пород и возраст насаждений, средние значения высоты и диаметра стволов деревьев, полнота, запас и бонитет насаждений и др.) и составляют характеристику других категорий земель национального парка. По собственному опыту и результатам, полученным другими исследователями, наиболее информативны для дешифрирования лесов по лесообразующим породам следующие таксационные показатели насаждений: породный состав насаждений верхнего яруса, определяющий форму крон деревьев разных пород и их сомкнутость в пологе; полнота насаждений, коррелирующая с сомкнутостью крон деревьев (Самойло-вич, 1966).
Эти два показателя в наибольшей степени определяют количество отраженного лесным пологом солнечного излучения в разных спектральных диапазонах и наряду с условиями освещения при съемке и рельефом местности вносят самый большой вклад в формирование на снимке прямых дешифровочных признаков лесной растительности, поэтому их применение для автоматизированного дешифрирования лесов по преобладающим породам насаждений наиболее эффективно. Однако для корректного применения в процессе дешифрирования лесов таксационных характеристик насаждений необходимо учитывать их отраслевую специфику. Все таксационные показатели, определяемые при лесоустройстве, имеют целью охарактеризовать промышленный потенциал лесов с точки зрения запаса стволовой древесины ценных в хозяйственном отношении пород деревьев. Породный состав насаждений лесохозяйственного выдела определяется не количественным преобладанием на территории выдела деревьев той или иной породы, а запасом их стволовой древесины (исчисляемым в в куб. м на уровне груди человека среднего роста), который затем переводится в единицы породного состава. Поэтому в ряде случаев, особенно для сложных выделов со смешанным составом насаждений и несколькими древесными ярусами, преобладающая в составе лесного полога порода может не совпадать с преобладающей породой выдела, определенной методами таксации. В этом случае необходимо использовать дополнительные таксационные характеристики насаждений, такие как возраст, высота, бонитет, а также данные других источников информации, или при возможности провести полевые проверки лесных участков.
В экспериментальных работах по дешифрированию лесов нами использованы практически все рассмотренные источники информации в предложенной последовательности, но при возможности выбора разных материалов доступность и качество лесоустроительных данных оказывали основное влияние на детальность выделяемых классов. Для национального парка "Водлозерский " в качестве классов для дешифрирования отобраны объекты, позволяющие классифицировать территорию по признакам гидромор-физма природных экосистем, что важно для мониторинга лесов таежной зоны, где процессы заболачивания идут достаточно интенсивно, особенно на вырубках. При отсутствии данных лесоустройства и наземных обследований единственным источником информации служила топографическая карта масштаба 1:100 000, на основе которой выбраны 5 классов для дешифрирования: лес; лес заболоченный; болота, со сплошным растительным покровом; болота с окнами открытой водной поверхности; водные объекты.
Выбор классов для дешифрирования территории НП "Куршская коса" проводился на основе баз данных лесоустройства, топографических карт масштаба 1:25 000, специальных наземных обследований растительности, аэровидеоснимков. В результате совместного анализа всех источников информации выделено 10 классов для дешифрирования по снимку SPOT и 12 классов для снимка IRS:
Обоснование и разработка базовой карты для мониторинга лесов НП «Куршская коса»
Базовая тематическая карта в системе картографического обеспечения мониторинга занимает центральное место. Базовая карта по определению универсальна и может использоваться для решения различных задач. В тематическом картографировании базовой традиционно является ландшафтная карта, отражающая границы природных комплексов и используемая для согласования положения природных контуров на различных тематических картах (Заруцкая, Красильникова, 1988; Котова, Январева, 1997; Берлянт, 2002). В геоинформационном картографировании существует понятие базового слоя, содержащего элементы географической основы и используемого для координированной привязки других пространственных данных, и специального тематического базового слоя, организующего содержание тематических карт путем фиксации положения нечетких переходных границ. В качестве такого слоя обычно используют следующие карты: ландшафтные, использования земель, растительности, бассейнов рек и др. (Комплексное экологическое картографирование, 1997; Балдина, Кусильман, Лабутина 2001). Основной функцией базовой тематической карты, создаваемой в целях мониторинга, является отражение состояния картографируемых объектов на определенный момент времени. Такая карта служит точкой отсчета для наблюдений за динамикой объектов, т. е. основой для организации и ведения мониторинга. Функции географической привязки и согласования природных границ также актуальны, но носят дополнительный характер.
Выбор содержания базовой тематической карты определяется принципами экологического картографирования, которые предусматривают отбор и показ характеристик, отражающих закономерности развития изучаемого объекта во взаимосвязи с другими объектами и условиями окружающей среды (Комплексное экологическое картографирование, 1997; Божилина, Сваткова и др. 1999). Базовую карту для экологического мониторинга лесов национальных парков целесообразно создавать в рамках классического биоцентрического (биоэкологического) направления в экологическом картографировании, которое сформировалось на основе картографирования состояния растительности и условий среды. Биоцентрический подход в общем виде предусматривает отражение на карте взаимосвязей организмов и среды обитания (Сочава, 1979; Востокова и др., 1988; Воробьев и др., 1990; Преображенский , 1990; Сладкопевцев, 1996; Тикунов, Цапук, 1999; Исаченко, 2001; Стурман, 2003; и др.). По мнению В. Б. Сочавы основным объектом экологического картографирования должны быть экосистемы, однако различные компоненты экосистемы следует характеризовать с разной степенью детальности. В отличие от антропоцентрического подхода к экологическому картографированию, который делает акцент на оценку состояния природной среды с точки зрения влияния на здоровье человека и возможностей ее оптимального хозяйственного использования, биоцентрический подход характеризует состояние природной среды по фоновым значениям показателей, позволяющим определить максимальный экологический потенциал природных комплексов территории. Таким образом, выбор биоцентрического подхода для картографирования экосистем обуславливает создание базовой карты, имеющей инвентаризационное назначение в системе мониторинга (Стурман, 2003). В рамках этой концепции наиболее целесообразным признано показать на базовой карте экосистемы, позволяющие отразить экологические условия произрастания растительности, в сочетании с природными и антропогенными факторами, оказывающими разрушительное воздействие на экосистемы. Экосистема, как известно, состоит из биценоза (биоты) и экотопа (биотопа). В биоценоз помимо растительности входит животный мир и микроорганизмы. Однако, поскольку растительность (особенно древесная) является главной частью биоценоза, которая оказывает наибольшее воздействие на остальные организмы и на формирование экотопа, мы сочли возможным ограничить картографирование биоценоза только его растительным звеном — фитоценозом. Таким образом, базовая карта экосистем по существу относится к фитоэкологическим картам, и ее создание продолжает исследования экосистем путем картографирования биоты в русле ботаникогеографического направления (Географическое картографирование, 2005).
Так как картографирование ведется дистанционными средствами, то характеристика экосистем на базовой карте ограничена возможностями дешифрирования материалов съемки. Аэрокосмические снимки объективно изображают особенности природного рисунка местности, характерные для данного ландшафта, физиономичные объекты территории, к которым относится растительность. Снимки позволяют выделить по спектральным и текстурным характеристикам однородные участки территории и дать им качественную и количественную экологическую оценку по данным наземных обследований (Аэрокосмическое экологическое картографирование, 1995). Преобладающие породы насаждений и формы рельефа, являющиеся главными составляющими при определении типов леса, достаточно надежно дешифрируются на аэрокосмических снимках, что подтверждено многочисленными исследованиями (Киреев, 1973; Калашников, 1987; Сухих, 1989; Жирин, 1989; Николаев, 1993; Лабутина, 2004). При дешифрировании породного состава насаждений к основным признакам относятся оттенки и насыщенность цвета, рисунок, текстура изображения на снимках лесного полога. Посредством инструментального дешифрирования стереопар снимков можно определить относительную высоту древостоев и местности, выделить формы рельефа. В совокупности с косвенными признаками, такими как приуроченность к определенным элементам рельефа, данные о генезисе, составе подстилающих пород и почвенно-грунтовых условиях, можно определять типы леса по дистанционным данным. Однако определение напочвенного покрова без достаточного количества наземных обследований, опираясь лишь на косвенные признаки, затруднено, следовательно, невысока и достоверность дешифрирования. Поэтому при картографировании лесных экосистем по материалам съемок их основными характеристиками, отражаемыми на базовой карте, должны быть характеристики лесного полога, которые включают преобладающий породный состав и нарушенность насаждений верхнего яруса под влиянием различных факторов среды. Именно эти параметры древостоев выбраны объектами аэрокосмического мониторинга лесов для территории Куршской косы при использовании популяционного принципа организации мониторинга.
Базовая карта, создаваемая в целях организации и ведения экологического мониторинга лесов дистанционными средствами по всей территории парка, должна отображать пространственное распределение и состояние всех природных комплексов косы, а также прибрежной акватории, входящей в зону деятельности национального парка. Однако более детально необходимо показать на карте лесные экосистемы - основной объект наблюдений. Поэтому характеристику экосистем в легенде карты предложено разбить на две части: более подробную классификацию растительности, как наиболее динамичного и разнообразного компонента экосистемы, и обобщенную характеристику местообитаний (экотопов). Под местообитанием понимается совокупность экологических условий существования находящегося здесь фитоценоза, некоторые из которых возникают в результате жизнедеятельности самого фитоценоза (Сукачев, 1966). На карте необходимо показать также состояние экосистем, испытывающих интенсивную нагрузку в результате воздействия природных и антропогенных факторов. Таким образом, легенда базовой карты экосистем состоит из трех частей: 1. фитоценозы с характеристикой по типу растительности; 2. экотопы с характеристикой по генезису, формам рельефа, почвенно-грунтовым условиям и увлажнению; 3. природные и антропогенные факторы, негативно воздействующие на экосистемы.
Карты для специальных видов мониторинга отдельных объектов НП «Куршская коса»
В системе экологического мониторинга НП "Куршская коса" ведется слежение за состоянием экосистем и их компонентов на всей территории парка, однако особенности природных комплексов обусловливают выделение отдельных видов экологического мониторинга, требующих более детального обследования: лесопатологический, лесохозяйст-венный, рекреационный, мониторинг растительности защитного дюнного вала, мониторинг растительности подвижных дюн, мониторинг прибрежной растительности акватории Куршского залива. Проводимые в НП специальные виды мониторинга для части территории косы нуждаются в разработке адекватного картографического представления. В этих целях были разработаны карты экологического состояния дюнного вала и состояния насаждений, поврежденных вследствие ветровалов.
Мониторинг дюнного вала, выполняющего важную защитную функцию для остальных природных комплексов косы, имеет целью организацию системы наблюдений за состоянием самого вала как элемента рельефа и произрастающей на нем древесно-кустарниковой растительности.
Древесно-кустарниковая растительность на авандюне представлена в основном сосной горной, ивой, барбарисом и другими лиственными кустарниками. Значительная часть сосны находится в угнетенном состоянии. Деревья произрастают в экстремальных природных условиях: постоянные сильные ветры, разрушительные морские волны в осенне-зимний период, значительная амплитуда колебания дневных и ночных температур летом, легко разрушаемый слой бедных почв на песках и др. (рис. 42). Немаловажное значение имеют высокие рекреационные нагрузки, особенно в летний период, приводящие местами не только к повреждению растительного покрова, но и к измене Куршской косы. Ведение мониторинга основано на использовании аэросъемки всех уровней детальности и в качестве дополнения к этому - данных наземной видео- и фотосъемки. Для наблюдения за динамикой происходящих процессов выбраны показатели площади различных классов экологического состояния дюнного вала в пределах квартала. По материалам детального уровня наблюдений - аэроснимкам масштабов 1:1 000 - 1:10 000 - методами визуально-интерактивного дешифрирования определяются следующие классы: полоса пляжа; полоса оползней; участки рекреационной эрозии; участки с древесно-кустарниковой растительностью и развитым травяным покровом; участки, где ведутся лесокультурные работы с подразделением по стадиям стабилизации песков (клетки из хвороста, травяной покров, травяно-кустарниковая растительность, древесно-кустарниковая растительность). Данные наземной видео и фотосъемок и учета на пробных площадях используются для уточнения характеристик участков, выделенных на аэроснимках.
В результате дешифрирования по среднемасштабным аэрофотоснимкам, увеличенным до масштаба 1:10 000, определены площадные характеристики следующих классов экологического состояния дюнного вала Куршской косы на май 2001 года: 1) развеваемые пески - участки оползней и рекреационной эрозии; 2) пески, искусственно закрепленные клетками из хвороста; 3) пески, покрытые травянистой растительностью; 4) пески с дре-весно-кустарниковой растительностью. Дешифрирование снимков и расчет относительных площадей вьщеленных классов (оценивалась величина площади каждого класса от площади квартала в %) производились средствами пакета Topol 5.0.
Комплексная карта показателей мониторинга экологического состояния защитного дюнного вала создана в пакете Maplnfo 4.1 при помощи двух тематических слоев наложенных друг на друга: полигонального слоя вьщеленных контуров классов состояния вала и точечного слоя центров кварталов, в которых расположен дюнный вал. При составлении карты использованы два способа изображения: способ качественного фона для показа пространственного распределения участков вала с разной стадией стабилизации песков и способ картодиаграмм для представления величин площадей этих участков. Размер диаграмм отражает долю площади всего вала от площади квартала, а размер сегментов диаграммы - долю каждого класса (участка вала) от площади вала в данном квартале. Цветом показывается класс состояния дюнного вала, причем для одного и того же класса в площадных знаках и диаграммах выбран одинаковый цвет. В качестве фона выбрана карта категорий земель лесного фонда. Фрагмент карты показателей экологического мониторинга защитного дюнного вала в лесничестве "Золотые дюны" представлен на рис. 43. Карта дает наглядное представление о пространственной и площадной структуре классов экологического состояния защитного дюнного вала и может быть использована для анализа взаимосвязей с различными тематическими данными и планирования необходимых природоохранных мероприятий. Анализ карты позволяет сделать вывод, что наиболее активное развитие эрозионных процессов на авандюне наблюдается в кварталах 25 - 28 лесничества Золотые дюны и в кварталах 24 - 26, 47 - 56 Зеленоградского лесничества. Приведенные показатели приняты за начальные для последующих наблюдений, и изменение доли того или иного класса будет свидетельствовать о динамике закрепления песков на дюнном валу и динамике размеров площади вала.
