Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности проблемы 11
1.1. Краткий обзор истории развития лесоустройства в России 11
1.2. Лесоустройство Лисинского учебно-опытного лесхоза СПбГЛТА 36
1.2.1. История образования лесхоза 36
1.2.2. Лесоустроительные работы 39
1.3. Современный этап в развитии лесоустройства 41
1.3.1. Выборочные методы инвентаризации лесов и «непрерывное лесоустройство» 41
1.3.2. ГИС, как средство дальнейшего совершенствования методики и техники устройства и инвентаризации российских лесов 53
1.4. Заключение по проблемам лесоустройства и поиску путей их решения в условиях перехода к рыночной экономики 56
2. Краткая характеристика исследовательских полигонов 60
2.1. Лисинский аэрокосмический и ГИС-полигон 60
2.2. Гатчинский таксационно-дешифровочный полигон 62
2.3. Нижнесвирский государственный заповедник 63
2.4. Стационар «Вепсский» (Сондальский участок) 64
3. Программа и методика исследования. Объем и характеристика исходных материалов 65
3.1. Программа исследования 65
3.2. Методика исследования 65
3.2.1. Методика полевых исследований 65
3.2.2. Методика обработки полевых материалов, анализа и представления результатов обработки 67
3.3. Объем и характеристика исходных материалов 68
4. Закономерности строения и динамики таксационно дешифровочных показателей исследования насаждений 89
4.1. Модели насаждений 89
4.2. Совершенствование таксации запаса и полноты насаждений методом математико-статистического моделирования 95
5. Анализ спектральной оптической плотности различных категорий земель лесного фонда 97
5.1. Особенности изучения спектральных характеристик земель лесного фонда 97
5.2. Спектральная оптическая плотность 99
5.3. Коэффициенты спектральной плотности (КСП) почв и обнажений 109
6. Использование инверсионной модели отражения и двух спектральных индексов для определения биофизических характеристик лесов Ленинградской области 121
6.1 Моделирование спектральных индексов для дешифрирования АКФС 121
6.2 Характеристика дешифровочных полигонов и предварительной обработки данных 126
6.3 Результаты исследования 128
6.4 Выявление и оценка изменений характеристик лесов по временным сериям космических снимков высокого разрешения (Landsat - ТМ) 139
6.5 Результаты эксперимента 144
6.6 Особенности использования мелкомасштабных космоснимков для картографирования и инвентаризации лесов крупных регионов 146
6.7 Калибровочная модель для уточнения площадей участков, выделенных по мелкомасштабным космоснимкам 152
Выводы 155
Рекомендация 158
Заключение 160
Библиографический список 163
- Краткий обзор истории развития лесоустройства в России
- Заключение по проблемам лесоустройства и поиску путей их решения в условиях перехода к рыночной экономики
- Спектральная оптическая плотность
- Особенности использования мелкомасштабных космоснимков для картографирования и инвентаризации лесов крупных регионов
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Главной задачей современного лесного хозяйства является обеспечение устойчивого развития лесов и экологической безопасности на любом уровне его организации: выдел, лесной участок, квартал, лесничество, лесопарк или область. Развитие арендных отношений и постоянные преобразования органов управления лесами еще более осложняет эту задачу, включая арендованные леса в зону ответственности органов лесохозяйственного контроля. Лесопользование всегда было и по-прежнему остается наиболее проблемной частью лесохозяйственного производства — зоной, где сталкиваются интересы многих ведомств и общественных организаций. Тема диссертации связана с разработкой современных методов учета лесов, основанных на ГИС и ДМ и определением экологически безопасного и достаточного для удовлетворения запросов промышленности размера пользования лесными ресурсами и является, безусловно, актуальной.
Дель работы заключается в разработке новых методических подходов к непрерывной инвентаризации лесов, основанных на оценке спектральной оптической плотности изображений объектов лесного фонда на материалах дистанционных съемок. При этом результаты исследования закономерностей строения основных насаждений на аэрокосмических полигонах и стационарах являются своеобразной «наземной правдой», предоставляющей возможность калибровать и верифицировать результаты исследования спектральной оптической плотности и разработать этой основе модели насаждений для составления таксационных и дешифровочных таблиц.
Основные задачи исследования: 1. Анализ ландшафтных особенностей аэрокосмических, ГИС и таксационных полигонов, выбранных в качестве ключевых участков Ленинградской области. 2. Оценка современного состояния и ретроспективы лесного фонда ЛУОЛХ за сопоставимый с прогнозом период. 3. Оценка достоверности и точности материалов лесоустройства, используемых для моделирования. 4. Калибровка применяемых моделей методом проектирования ретроспективных данных на современность в соответствии с выбранной методикой. 5. Оценка спектральной оптической плотности различных категорий земель лесного фонда 6. Разработка рекомендаций по использованию выявленных закономерностей при непрерывной инвентаризации лесов ЛО с использованием ГИС и ДМ.
Положения, выносимые на защиту: 1). Закономерности динамики показателей спектральной оптической плотности различных категорий земель лесного фонда; 2). Результаты математихо-статистической обработки таксациопных материалов: таблицы для определения основных таксационных показателей по их дешифровочным аналогам. 4). Рекомендации по инвентаризации лесов ЛУОЛХ с использованием ДМ и ГИС-технологий.
\
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые для лесов Лисинского учебно-опытного лесхоза других полигонов кафедры лесной таксации, лесоустройства и ГИС были изучены особенности динамики показателей спектральной оптической плотности земель лесного фонда и разработаны рекомендации по их использованию для повышения точности и достоверности базовой и непрерывной инвентаризации различных категорий земель лесного фонда.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке методики и техники непрерывной инвентаризации лесов Ленинградской области. С их помощью был уточнен размер пользования лесными ресурсами для ЛУОЛХ. Результаты исследования используются Северо-Западным лесоустроительным предприятием для совершенствования методов применения материалов ДЗ и ГИС в лесоустройстве.
Личный вклад. Разработка плана диссертационного исследования, методики сбора и обработки исходных материалов, анализ результатов и разработка рекомендаций были выполнены лично автором.
Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается верификацией моделей таксационно-дешифровочпых показателей на ретроспективном ряду динамики лесного фонда ЛУОЛХ за 130-летний период. Закономерности динамики коэффициентов спектральной оптической плотности проверены на полевой «наземной правде» - пробных площадях многоцелевого назначения, заложенных на аэрокосмических, ГИС и таксационных полигонах кафедры лесной таксации, лесоустройства и ГИС.
Апробация и публикация результатов работы. Основные результаты исследования были обсуждены и одобрены на 3 научно-технических конференциях Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии. Результаты исследования изложены в отчете по НИР, представленных на кафедру лесной таксации, лесоустройства и ГИС СПбГЛТА. По
результатам исследования было опубликовано статей в российских
сборниках научных работ (в том числе — 3 статьи опубликованы в рекомендованных ВАК РФ изданиях). 3 статьи являются Интернет-публикациями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, рекомендаций и заключения. Библиографический список включает 178 наименований. Объем работы составляет 182 страницы, в том числе: 18 таблиц и 32 рисупков.
Краткий обзор истории развития лесоустройства в России
Можно отметить три этапа в развитии лесоустройства в России, как составной части лесоуправления:
- рыночная экономика - капиталистическая форма хозяйствования;
- командно - распределительная система - социалистическая форма хозяйствования.
- переход от командно-распределительной системы к рыночным отношениям в области лесного хозяйства, лесоустройства и лесоуправления.
Начальный этап развития лесоустройства в России относится к 30-м годам XIX века. Первое упоминание об устройстве лесов содержится в царском Указе от 19 июня 1826 г. В указе говорится о том, что после завершения внешнего межевания казенных лесов (т.е. ограничения их межевыми знаками от всех прочих лесов), приступить к внутреннему межеванию: разделению лесов на кварталы. В кварталах необходимо было выделить строевые рощи и дровяные лесосеки. В том же Указе повелевается: после межевания лесов вводить в них постепенно правильное лесоводство.
Первый нормативный документ, который определил цель и задачи лесоустройства в России, - "Инструкция об управлении лесной частью на горных хребтах Уральского, по правилам лесной науки и доброго хозяйства". Она составлена министром финансов Е.Ф. Канкриным в 1830 г. и издана в 1833 г.
В это время Лесной департамент входил в Министерство финансов России. В параграфе. 18 гл. IV этой инструкции ("О приведении лесов в известность") сказано: "Первый приступ ко всему правильному лесному хозяйству есть приведение лесов в надлежащую известность. Сюда принадлежит: 1)окружное межевание лесов; 2)топографическое описание или снятие внутренней ситуации; 3)статистическое описание лесов; 4)оценка пли таксация лесов, заключающая настоящее изобилие лесов и сколько в продолжении времени, по годам, постепенно вырубать можно разных родов лесных материалов. Из сего открывается, что для приведения лесов в известность нужны карты и описания.
Примечание. Приведение в известность лесов, о коем говорится в этом параграфе, относится к видам науки и хозяйства, а не к «межеванию в юридическом смысле».
Таким образом, Е.Ф. Канкрин в 1830 г. определил лесоустройство, как вид науки и хозяйства. В соответствии с указанной инструкцией первые опытные лесоустроительные работы были выполнены в 1840 г. в Лисин-ской даче (Лисинский учебно-опытный лесхоз Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии).
В 1842 г. в Вятской, Новгородской, Тульской, Нижегородской и Московской губ. проведены производственные лесоустроительные работы. На основе их результатов впервые в России в 1845 г. разработана Ф.К. Арнольдом «Инструкция лесоустройства» (второе издание - в 1854 г.). Согласно этой инструкции все дачи, подлежащие устройству, разделены на три разряда (I, II, III). В первых двух предполагалось вести сплошнолесо-сечное хозяйство, в третьем - осуществлять выборочные рубки. Инструкция определяла цель лесоустройства - разработку на оборот рубки плана ведения хозяйства лесной дачи.
По данным Ф.К. Арнольда, в 1842 г. лесоустроительные работы проведены на 100 тыс. дес. (1 десятина равна 1,1 га), в 1843 г. - на 150 тыс. дес, к 1849 г. уже было устроено 2,5 млн дес. лесов , а к 1893 г. в европейской части России - 18,5, в других регионах - около 1млн дес.
В 1888 г. с осуществлением преемственности прошлых изданий (1854, 1859, 1870, 1884 гг.) введена в действие новая лесоустроительная инструкция, состоящая из двух частей: административной и технической. В административной части подробно описан порядок выполнения лесоустроительных работ, указаны обязанности лесничих по отношению к лесоустройству, состав лесоустроительных партий. В технической части описан порядок проведения геодезических и таксационных работ.
Ф.К. Арнольд отмечает, что в таксаторы отбирали лучших из воспитанников Лесного института, удерживали в таксационных партиях долго. Считалось за честь попасть в таксационную партию. В лесной среде бытовало мнение, что в таксационных партиях собраны сливки всего Корпуса лесничих.
Новая Лесоустроительная инструкция была утверждена в 1894 г. В ней определена следующая цель лесоустройства: "Устройство леса имеет целью установить такой порядок эксплуатации леса, при котором сообразно с местными условиями и видами владельца не только бы извлекалась возможно большая польза от леса, без истощения самого имущества, но и достигалось бы при этом скорейшее приведение лесного имущества в возможно лучшее состояние, при наименьших пожертвованиях со стороны лесовладельца".
Приведем последний нормативный акт лесоустройства (до него были изданы Инструкции в 1900 и 1908 гг.), характеризующий принципы организации лесопользования и ведения лесного хозяйства в казенных лесах России до 1917 г. Согласно Инструкции для лесоустройства, ревизии лесоустройства и исследования казенных лесов (1914г.) "устройство казенных лесов имеет целью составление для них планов правильного лесного хозяйства, т.е. такого хозяйства, при котором обеспечиваются:
1) извлечение из лесов постоянной наивысшей доходности при неистощи-телыюсти пользования,
2)улучшение состава и роста лесов и
3) наивыгоднейшее постоянное пользование всеми нелесными площадями, входящими в состав лесных дач, при возможном уменьшении непроизводительных участков.
Отмена крепостного права в 1861 г., быстрое развитие промышленности изменили производственные и социальные отношения в России. Интенсивное железнодорожное строительство, введение в строй новых фабрик и заводов, развитие инфраструктуры городов резко повысили спрос на древесину и создали благоприятную конъюнктуру лесного рынка. Главной целью лесопользования в государственных и частных лесах стало получение максимального дохода. С одной стороны, это доход собственника лесов от продажи древесины на корню, с другой - доход лесопромышленника от заготовки и переработки древесины.
Именно обоснование постоянной наивысшей доходности при неистощите-лыюсти пользования было экономической сущностью русского лесоустройства в казенных (государственных) лесах до 1930 г. в условиях рыночной экономики. Для обоснования наивысшей доходности и изыскания путей ее получения при лесоустройстве тщательно исследовали рынки сбыта и потребления древесины, динамику рыночных цен на древесину, обосновывали лесные таксы на древесину, отпускаемую на корню. М.М. Орлов в своем классическом труде "Лесоустройство" (т. П, 1928) с учетом 100 - летнего опыта деятельности лесоустрои-телей при рыночной экономике в гл. "Внешние условия лесного хозяйства" включил следующие разделы:
- потребление древесины и лесные рынки;
- условия эксплуатации леса;
- условия транспорта леса;
- корневая ценность леса и лесные таксы.
Получению наивысшей доходности при лесопользовании были подчинены и основные теоретические положения лесоустройства: оборот рубки, формы лесного хозяйства, расчет главного пользования лесом.
А.Ф. Рудзкий (1881, 1901) теоретически обосновал и ввел в практику российского лесоустройства и лесного хозяйства элементы, определяющие организацию лесопользования в рыночных условиях. На основании его предложения в Инструкцию для устройства казенных лесов (1908 г.) введен термин "оборот рубки", т.е., по определению А.Ф. Рудзкого, "...срок, в течение которого можно обойти рубкой все намеченные насаждения дачи".
М.М. Орлов (1927, 1928, 1931), развивая и обосновывая с учетом практики лесоустройства понятие оборота рубки, пришел к следующим выводам:
- понятие оборота рубки относится ко всем формам хозяйствования; - понятие оборота рубки - следствие цикличности всякого лесного хозяйства, которое для обеспечения обязательного постоянства пользования должно всегда восстанавливать объем используемой древесины;
- наивысшая денежная доходность хозяйства - критерий определения оборота рубки. Низшим его пределом является возраст количественной спелости;
- недопустимость декретирования оборотов рубки.
Итак, оборот рубки - важная лесоводственная и экономическая категория лесоустройства и лесного хозяйства. Он определяет цель хозяйства, непрерывность и постоянство лесопользования, структуру выращиваемых сортиментов, служит основанием деления лесного фонда целевого хозяйства на возрастные группы. При этом получение наивысшей доходности в понятии оборота рубки определяло рыночное начало в организации лесопользования.
Главными задачами лесоустройства были формирование на основе мате i риалов лесной таксации целевых хозяйств, обоснование и установление индивидуальных оборотов рубки по каждому из них, определение на его основе размера главного пользования лесом и способов рубки, проектирование промежуточных рубок, лесных и лесокультурных работ.
Заключение по проблемам лесоустройства и поиску путей их решения в условиях перехода к рыночной экономики
После дискуссии 30-х годов, когда лесоустройство, по существу, было ликвидировано и сведено к лесоинвентаризации, оно так и не восстановило исходную полноту содержания лесоустроительного проекта. Особенно это касается экономической стороны планирования и организации лесного хозяйства и лесопользования, которая по мнению А.Ф. Рудзкого и должна быть главной для лесоустройства.
Проводимые кардинальные реформы в России по переводу к рыночной экономике, а также принятые международные соглашения по организации устойчивого управления лесами несравнимо с предшествующим периодом повысили значимость лесоустройства и обусловили неотложную необходимость кардинального улучшения содержания лесоустроительного проекта. Назревшие проблемы не удастся решить быстро и должным образом.
Лесоустройство (его проектная часть) должно представлять среднесрочный план стратегического лесоуправления на местном (район) и региональном (субъект РФ) уровнях. Двухуровневое лесоустройство (в перспективе) должно обеспечить выработку и принятие согласованных между собою решений на местном и региональных уровнях по организации и планированию лесопользования и устойчивому управлению лесами. Лесоустройство не должно уклоняться от решения этой задачи.
Однако, следует заметить, что региональные программы на уровне субъекта РФ не могут быть подменены составлявшимися до сих пор лесоустроительными предприятиями «Основными положениями», которые представляли, по существу, механическую совокупность лесоустроительных проектов по всем лесхозам, входящим в данную область, край, республику.
В задачу региональной программы должно входить обоснование основных (стратегических) направлений в развитии лесопользования и лесного хозяйства с учетом состояния и перспектив развития всего народнохозяйственного комплекса отраслей данного региона (субъекта РФ) и целевого назначения лесов.
Региональная программа должна определить наиболее эффективные и первоочередные мероприятия по интенсификации использования лесов и хозяйства в них с учетом динамики спроса и предложения на ресурсы и услуги леса в зоне влияния соответствующих рынков, обеспечить максимально возможный в данных условиях лесной доход и на основе его гарантировать финансирование лесного хозяйства для воспроизводства используемых ресурсов, без чего немыслимо устойчивое управление лесами. Региональная программа является основой, с одной стороны, для составления лесоустроительных проектов на местном уровне (район), с другой стороны, для формирования федеральной программы использования и воспроизводства лесных ресурсов.
В местных программах лесоуправления должно быть с учетом стратегических направлений региональных программ обоснованно и оптимизировано размещение объемов неистощительного лесопользования и лесного хозяйства с учетом потребностей лесопользователей на территории данного района с разделением ресурсного потенциала для нужд арендаторов, лесных торгов и местного потребления по согласованию с органами исполнительной власти на региональном и местном уровнях.
В условиях регулируемой рыночной экономики планирование по своему характеру является индикативным, многоуровневым, межотраслевым (многосекторным), итеративным и призвано выработать наиболее эффективные альтернативы достижения целей при ограниченных экономических ресурсах (производственных факторах).
Лесоустройство является средством стратегического планирования, но не обособленным (самим по себе), а в общей системе планов, разрабатываемых разными службами для других секторов народного хозяйства (АПК, ЛПК и др.) и в сочетании с другими видами землепользования на устраиваемых территориях.
Методологической основой для формирования программ лесоуправления разных уровней должен быть рентный подход, обеспечивающий баланс экономических интересов всех хозяйствующих субъектов, связанных с лесом, безубыточность как лесопользователей, так и органов управления лесами, обязанных обеспечить доходность лесного хозяйства для компенсации затрат и получения чистого лесного дохода, или лесной ренты. Определение ренты должно быть обязательным и сквозным в лесоустройстве показателем, который только и позволит обосновать экономически доступные ресурсы и услуги леса, а мероприятия для их заготовки и воспроизводства, а, главное, дать надлежащее экономическое обоснование всей программе, составляемой при лесоустройстве.
При двухуровневом лесоустройстве необходимо разграничить программные вопросы и способы их решения. Ряд основополагающих вопросов для лесоустроительного проектирования, таких как обоснование целевых хозяйственных секций, целесообразной внутри них структуры лесов, соответствующих им возрастов спелостей и оборотов рубок может быть произведено на уровне региональных программ, сэкономив средства при составлении местных планов лесоуправления.
Для организации устойчивого управления лесами расчеты неистощи-тельного пользования лесом должны быть органически совмещены с подготавливаемыми программами по воспроизводству лесных ресурсов, обеспечив выбор наиболее эффективного варианта из всех возможных альтернатив. Такие предложения уже разработаны и апробированы на отдельных объектах.
Большая информация и возросшая сложность расчетов и обоснований предполагает организацию лесоустроительного проектирования на основе компьютерной технологии с переходом на геоинформационные системы (ЛИС).
Не простой для науки проблемой является обеспечение перехода на планы многоресурсного лесоуправления. Пока лишь разрабатываются подходы к обоснованию «многопродуктивных моделей» и соответствующих для них интегрированных систем ведения лесного хозяйства.
Спектральная оптическая плотность
Исследования спектральной яркости природных объектов являются фундаментальными. Их результаты позволяют вскрыть глубинные закономерности взаимодействий ЭМР с атмосферой, облачностью и ландшафтной оболочкой Земли. В данном случае возникает необходимость исследования особенностей взаимодействия ЭМР с растительными покровами, водными поверхностями, обнаженными почвами, материнскими горными породами и др. На основе полученной информации производится разработка и модернизация методов дешифрирования АКФС и нефотографических изображений [Кронберг, 1988; Гарбук и Гершензон, 1997].
Широкое применение многозональной съемки земной поверхности с регистрацией данных на фотографические пленки и иные носители (в том числе и в цифровой форме), заставляет по-новому подойти к решению многих проблем контурного и тематического дешифрирования материалов ДЗ с помощью информационно-вычислительных комплексов и аналитических модулей ГИС[Любимов, 2001].
Как правило, потребителям предоставляются материалы многозональных съемок в виде черно-белых (моноканальных) и псевдоцветных или синтезированных изображений (рис. 5.4 и 5.5).
Моноканальные кадры являются записями спектральной яркости заснятых объектов в одном из диапазонов видимого и близко инфракрасного спектра, преобразованными в участки разной оптической плотности и создающими изображение на экране монитора или на жестком носителе. Следовательно, дешифровочными аналогами спектрального альбедо (А . = F/Fo) и коэффициента спектральной яркости (г . ((0, рв Е ., ±) = В . ((0, р , Е ., _1_)/В0я,) могут считаться коэффициенты спектральной оптической плотности (Dx = lg О = lg 1/т = lg (Fnyv/Fnpon)) ландшафтный (КСПЛ ) и эталонированный (КСПэт)[Любимов, 2001].
В отличие от обычного, ландшафтный коэффициент спектральной оптической плотности определяется отношением оптической плотности дешифрируемого объекта к средней оптической плотности природного территориального комплекса. Ранг НТК должен соответствовать размеру дешифрируемого объекта (фация, урочище, местность, ландшафт). Эталонированный коэффициент определяется отношением оптической плотности данного объекта к оптической плотности эталона. В качестве эталона может быть принята средняя оптическая плотность одной из градаций шкалы серых тонов.
Для решения практических задач КСП определяются как отношение средних значений оптической плотности гистограмм распределения исследуемых объектов (рис. 5.4) к средней плотности НТК соответствующего ранга или эталона.
Таким образом, для разработки методики и техники автоматизированной классификации, интерактивного и аналитического дешифрирования аэро-и космических фотоизображений, оформленных в виде электронных файлов, необходимо исследовать относительные плотности объектов ландшафтной оболочки Земли как в узких спектральных интервалах (моноканалах), так и на синтезированных многозональных изображениях различных категорий земель лесного фонда [Инструкция по проведению лесоустройства в лесном фонде России, 1995].
Разработка рекомендаций по автоматизированной обработке изображений производилась с помощью комплектов эталонных тест — объектов. Комплекты эталонов были созданы для всех использованных в процессе исследования материалов ДЗ (аэрофотоснимков, космофотоснимков и нефотографических изображений из космоса). Кроме того, эталоны были созданы для различных категорий земель лесного фонда: лесных (покрытых и непокрытых лесом земель: продуктивных, гарей, вырубок, прогалин) и нелесных земель (пашен, сенокосов, пастбищ, вод, дорог и просек, усадеб, болот и песков) — рис. 5.6.
На фотоснимках и нефотографических изображениях из космоса тест-объекты создавались как по результатам предварительного полекамерального дешифрирования, так и с использованием таксационных описаний, планов лесонасаждений, топографических карт и других доступных источников информации - в зависимости от необходимой детальности характеристики объекта.
Для каждой категории земель лесного фонда, отдельного объекта учета и совокупностей тест-объектов в каждом спектральном диапазоне были получены гистограммы распределения формирующих объекты пикселов по ступеням оптической плотности, определены средние значения и вычислены статистики рядов, характеризующие варьирование показателя, степень отклонения от закона нормального распределения и особенности варьирования в зависимости от спектральных диапазонов, условий съемки и особенностей обработки изображений (рис. 5.11).
В связи с недоступностью пространственно совмещенных матриц спектральной яркости для многоканальных спутниковых изображений и оцифрованных спектрозональных аэрофотоснимков, значения коэффициентов спектральной оптической плотности были получены в результате декомпозиции изображений на моноканальные, в соответствии с методикой ГИС-обработки и анализа изображений (рис. 5.12). Таким образом, воссоздавалась спектральная яркость (плотность) объектов в синем, зеленом, красном и БИК диапазонах.
Особенности использования мелкомасштабных космоснимков для картографирования и инвентаризации лесов крупных регионов
Космоснимки низкого разрешения находят все большее применение при мелкомасштабном картографировании различных объектов ландшафтной оболочки Земли: гидрографии, дорожной сети, линий электропередач, связи, продуктопроводов и др. Их растущая популярность объясняется широкой доступностью, достаточно высоким спектральным и пространственным разрешением, а также принципиально иным подходом к инвентаризации лесов на межрегиональном, национальном и международном уровнях [Барталев, 1998; Сурикова, Барталев, Нефедьев и др. 1998; Сухих, 1999; Nelson, Horling and Stone, 1987;]. Характеристика материалов съемки сенсорами AVHRR и MSS приведена в соответствующем разделе.
Российский Северо-Запад является большим и лесистым регионом для применения мелкомасштабных космоснимков при тематическом картографировании лесов и их генерализованной инвентаризации. Двадцать девять изображений AVHRR с практически отсутствующей облачностью были безвозмездно получены из Национальной Библиотеки АКИ США в 1996 г. в распоряжение Научно-исследовательского Центра Вудс Хол [Woods Hole Research Center, Mass., USA]. Снимки полностью и многократно перекрывали территории Новгородской, Ленинградской и, в значительной степени, Вологодской областей (рис. 6.10).
Космоснимки данного разрешения использовались для решения следующих задач:
Определить необходимую и достаточную величину выборки для выявления современного состояния и текущих изменений земель лесного фонда за некоторый период;
Оценить эффективность различных методов обработки изображений и статистических анализов для решения первой задачи;
Одним из первых примеров успешного применения космоснимков, по-лученных с Аро11о-9, для инвентаризации лесов на площади 25000 км в долине Миссисипи можно считать работу Лэнгли [Langley, 1969]. Впоследствии были предприняты многочисленные попытки использования изображений Landsat - MSS при фотостатистической инвентаризации лесов для многоуровневой стратификации земель лесного фонда [Titus et al., 1975; Kirby and VanEck, 1977; Rohde et al., 1979]. Особенности использования материалов MSS для учета избыточно увлажненных насаждений и болот были проанализированы в работе Д. Гилмера [Gilmer et al., 1980]. К данному периоду относятся и работы по использованию изображений MSS для инвентаризации поливных земель [Heller and Johnson, 1979]. Для этих исследований были использованы снимки, каждый из которых покрывал территорию, площадью более 30000 км2 (185 х 170 км).
Вопросы инвентаризации лесов на континентальном (межрегиональном) уровне явились предметом изучения в середине 80-ых [Colwell, 1983]. В результате исследований было предложено использовать мелкомасштабные космоснимки (MSS, AVHRR и CZCS-Coastal Zone Colour Scanner) для стра-тификации земель при фотостатистической инвентаризации лесов больших регионов. Более того, уже в то время ряд исследователей высказывал мысль о том, что мелкомасштабные космоснимки после повышения их спектрального и пространственного разрешения могут быть с успехом использованы при глобальной инвентаризации и мониторинге состояния лесов [Hallum, 1984].
Первая успешная попытка создания карты лесов континента на основе AVHRR и MSS была предпринята в 1987 г. [Nelson, 1987]. Математико-статистический аппарат для обработки материалов стратификации и дешифрирования был разработан группой В. Андерсона [Anderson et al., 1985]. В результате комплекса работ с использованием снимков AVHRR были составлены карты лесов США [Tucker et al., 1984; Gervin et al., 1985; Nelson and Holben, 1986], распределения биомассы [Tucker et al., 1984] и интенсивности лесных пожаров [Malingreau, 1984]. В настоящее время соответствующим образом обработанные снимки AVHRR находят все большее применение при инвентаризации и картографировании лесов на межрегиональном и национальном уровнях [Cihlar et al., 1991; Gutman, 1991; Teng, 1990; Walsh, 1987].
В результате исследований было установлено, что различные математические комбинации (индексы) 1 и 2 спектральных каналов AVHRR являются достаточно чувствительными к определению пространственных и атрибутивных характеристик лесов. Обычно принято обходиться двумя индексами: простой индекс растительности (VI) и нормализованный индекс (NDVI).
Vl Chz-Ch! и
NDVI = (Ch2 - Ch,)/( Ch2 + Ch,), где Ch2 и Cli! являются значениями яркости данного объекта, зарегистрированными в 1 и 2 каналах сканирующего устройства.
Нормализованный индекс является более эффективным, так как в значительной степени снижает влияние других факторов на величину результирующего показателя (изменчивости освещенности, отражающей способности склонов в зависимости от крутизны и экспозиции и др.). Многочисленные исследования позволили увязать изменчивость NDVI с динамикой характеристик растительного покрова (сезонная и возрастная изменчивость, динамика индекса в зависимости от сомкнутости и глубины полога древостоя, рубок главного и промежуточного пользования, пожаров, вспышек массового размножения энтомовредителей и др. факторов) [Coward et al., 1991]. Космос-нимки AVHRR становятся надежным инструментом для решения проблемы глобализации учета лесных ресурсов и разработки мероприятий по их сохранению.
Для обработки изображений AVHRR-LAC с пространственным разрешением 1 км была использована станция NASA/GSFC GIMMS (Global Inventory, Monitoring, and Modelling Studies) HP-3000 и стандартная методика радиометрической и пространственной коррекции [Nelson et al., 1987]. Образцы для настройки системы (калибры) были сформированы в соответствии с методикой Фокса и Майера [Fox and Mayer, 1989], что позволило привести размер пиксела до 76x57 м. Статистическая обработка и стратификация выполнялась в соответствии с методиками Шиффера [Scheaffer et al., 1979] и Фриза [Freese, 1982].
Главная цель совместного применения мелкомасштабных космосним-ков MSS и AVHRR заключалась в определении современного состояния и динамики площади лесов на дешифровочном полигоне, включающем часть территорию Ленинградской области. В процессе эксперимента предполагалось выяснить динамику вырубок, гарей и других изменений в структуре земель лесного за 5 и 10-летний периоды. Долю сплошных вырубок и гарей при совместном применении изображений MSS и AVHRR принято определять в соответствии со следующей формулой: г = (1/п)[Е(У1/Х1)],где: 1=1 Yi - доля сокращения покрытых лесом земель за анализируемый период в пределах контрольной зоны пикселов изображения I, п - количество изображений MSS, используемых на данной фазе эксперимента.
В целом для страты определяется соотношение Y = г X , где Y -общая площадь вырубок в страте покрытых лесом земель, а X - площадь страты. Результаты расчетов приведены в таблице 6.4.
