Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История и состояние изученности вопроса 7
Глава 2. Природный объект и методика ландшафтного изучения лесных территорий 10
Глава 3. Ландшафтные источники информации 15
3.1. Картографические источники информации 15
3.2. Дистанционные источники информации 24
3.3. Фондовые источники информации запасов торфяных материалов. 27
Глава 4. Ландшафтная структура северо-западной части Лисинского научно-исследовательского и учебного полигона 29
4.1. Ландшафтная характеристика изучаемой территории 29
4.2. Болота территории 33
4.3. Антропогенные индикаторы территории. 40
Глава 5. Экологическая оценка земель территории 43
5.1. Обзор литературы 43
5.2. Экологические свойства земель Лужско-Тосненского ландшафта 47
5.3. Ландшафтные фации и их индикаторы 52
5.4. Экологические свойства земель Ижорского ландшафта 56
Глава 6. Недревесные лесные ресурсы северо-западной части Лисинского научного и учебного полигона 61
Глава 7. Использование ГИС-технологий для характеристики структуры, анализа и прогноза дальнейшего развития природных территориальных комплексов 66
7.1. Теоретическая база метода 66
7.2. Подготовка гипсометрической картосхемы 69
7.3. Анализ динамики землепользования на урбанизированной территории 71
Заключение 84
Список литературы 89
Приложение 108
- Природный объект и методика ландшафтного изучения лесных территорий
- Болота территории
- Экологические свойства земель Ижорского ландшафта
- Анализ динамики землепользования на урбанизированной территории
Природный объект и методика ландшафтного изучения лесных территорий
Исследования проводились на территории северо-западной части Лисинского научно исследовательского и учебного полигона (ЛНИиУП) Ленинградской области. С помощью программы Gооgle Eаrth были определены границы области исследования (части территории ЛНИиУП) между 3017 и 3037 восточной долготы и, соответственно, 5927 и 5937 северной широты. Границы сохранены в виде векторного полигона. Площадь исследования составляет 397 км2 или 39 700 га, протяжённость территории с запада на восток составляет 14,3 км, с севера на юг – 27,8 км. В территорию входят северо-восточные земли Гатчинского лесничества, северо-западные Любанского и западные – Лисинского учебно опытного лесничества Ленинградской области.
Основой методики изучения ландшафтной структуры изучаемой территории является метод ландшафтных и экологических индикаторов. Методика изучения ландшафтной структуры предусматривает использование ландшафтных источников информации (ЛИИ). Ими являются материалы дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), общегеографические, топографические, тематические карты, фондовые материалы и литературные опубликованные работы.
Применение ландшафтной методики позволяет основной объём работ по изучению и картографированию лесов проводить до выхода в поле. В результате сокращаются дорогостоящие полевые работы, повышаются темпы исследований, точность и полнота оценки ресурсов леса.
Ландшафтно-морфологическая интерпретация этого материала даёт сведения об объективно существующих рубежах ПТК, их структуре, строении и экологических режимах лесных земель [76; 78; 83]. Ландшафтное изучение лесов включает следующие последовательные этапы:
1) сбор имеющихся ландшафтных источников информации (ЛИИ);
2) их ландшафтно-морфологическую интерпретацию;
3) ландшафтное картографирования, составление предварительных ландшафтных карт;
4) проектирование по предварительно составленной ландшафтной карте мест закладки ландшафтных профилей;
5) полевые работы на ландшафтных профилях;
6) внесение уточнений и изменений в ландшафтную карту и легенду.
7) составление авторского оригинала ландшафтной карты, а при необходимости – серии тематических лесохозяйственных карт.
Для решения поставленных задач в ходе исследований выполнены следующие виды работ:
1. Подбор материалов дистанционного зондирования земель (ДЗЗ) космических и аэроснимков;
2. Подбор физико-географических карт (топографических, геологических, лесов, растительности;
3. подбор фондовых материалов (лесоустроительных отчётов, планов лесонасаждений, материалов торфяного фонда и др.).
4. Приведение всех ЛИИ к единому масштабу (1: 25 000, 1: 50 000).
5. Совмещённая ландшафтная интерпретация картографических источников и дешифрирование материалов ДЗЗ.
6. Построение обобщённых ландшафтных профилей.
7. Составление цветовой шкалы и соответствующей ей гипсометрической карты территории.
8. Выявление ландшафтной структуры территории и составление ландшафтной карты 1: 50 000 с экологической оценкой всех ПТК.
9. Подготовка на полученной ландшафтной основе карт размещения некоторых недревесных ресурсов изученной территории.
Информация о составе древостоя была использована из различных источников: личным стандартным лесотаксационным обследованием (рис. 2.2.-2.4), из планов лесонасаждений лесничеств, лесохозяйственных регламентов.
Объектами полевых исследований являются только ландшафтные фации и точки наблюдений в пределах выявленных в поле фаций и их видов. На предварительно составленной ландшафтной карте проектируются места заложения ландшафтных профилей и полевых маршрутов. Ландшафтные профили пересекают все виды ПТК изучаемого объекта с целью полного охвата всего природного разнообразия. При этом преследуется одновременно цель максимального сокращения объема полевых наблюдений и доступность профилей и точек наблюдения для полевого посещения (учет путей транспорта, природных препятствий, сокращение путей подхода и подъезда). Полевые наблюдения носят выборочный характер, в первую очередь описываются ПТК слабо изученные, недостаточно описанные и идентифицированные по ЛИИ [85]. После окончания полевых работ производится обработка и уточнение составленных в поле описаний фаций, формул экологических режимов лесных земель.
К методам исследований, использованных при выполнении работы, относится ландшафтное дешифрирование материалов дистанционного зондирования лесов, а именно аэрофотоснимков, космических снимков, полученных с различных космических аппаратов, дешифрирование (в том числе стереоскопического) этих снимков и нанесение на них результатов дешифрирования.
Болота территории
По мере обработки, интерпретации собранных на территорию исследования материалов было обращено внимание на то, что в структуре и экологических свойства лесных земель Лужско-Тосненского ландшафта большая часть территории заняты болотами, топяными и переувлажнёнными землями. Ландшафт имеет развитую дренажную сеть: относительно крупные реки Оредеж, Суйда имеют достаточно хорошо выраженные днища долин небольшой ширины от 10 -15 до 200 м, которые врезаны на глубину 5 - 6 и более метров. Глубинный врез реки Ижора - до 13 метров. Днища рек сложены песчано-супесчаным аллювием. Для пойм характерны ельники, тополевники, ивняки, ольшаники, пойменные луга и сельскохозяйственные земли
Общая площадь болот: 8400,4 га; занимает 21,2% площади исследования. Площадь болот Ижорского ландшафта (7 болот): 293,6 га; занимает 3,5% общей площади болот. Площадь болот Лужско-Тосненского ландшафта (18 болот): 8106,8 га; занимает 96,5% общей площади всех болот изученной территории.
При сравнении ландшафтных характеристик изученных болот отчётливо видно - на всех этапах их развития и на производительность лесов после проведённого осушения ведущее влияние оказывает литогенная основа каждого из болот. Площадь болот растёт в направлении от северо-запада к юго-востоку. Предварительно составленные ландшафтные карты помогают спланировать полевые работы, определить генетический центр каждого болота, места прохождения в натуре ландшафтных профилей и точек бурения торфяной залежи [113, 114].
В результате интерпретации всех полученных источников ландшафтной информации, вычерчивания ландшафтных профилей, гипсометрической карты и дешифрирования материалов ДЗЗ, составлена карта ландшафтных урочищ (рис. 3). При изучении территории Лужско-Тосненского ландшафта установлено, что его структуру составляют две ландшафтные местности. Граница между местностями на изучаемой нами территории проходит прерывно и хорошо видна только при картографировании земель всего полигона.
- Низкие (51-100 м над уровнем моря) ледниковые слабонаклонные равнины с урочищами конечно-моренных гряд, камов и озов, сложенные валунными сугликами, реже супесями, гравелистыми и валунными песками, питаемые, в основном, атмосферными водами с влажными, реже свежими, сураменями, бедными липовыми раменями, еловыми суборями и выпуклой олиготрофной грядово-мочажинной центральной частью и топяной мезоевтрофной периферией. Занимают выпуклые междуречья, питают притоки перечисленных выше рек.
- Низменные (менее 50 м над уровнем моря) плоские террасированные озерно-ледниковые равнины, сложенные ленточными глинами, реже безвалунными слоистыми песками, питаемые атмосферными и натечными водами с переувлажненными еловыми суборями, реже борами, приречными сураменями, плоскими и слабовыпуклыми болотами замкнутых и сточных впадин с доминированием мезотрофных лесных, лесотопяных и топяных фаций [76, 83].
В пределах изучаемой нами территории в Ижорском ландшафте имеются урочища склонов возвышенности, а на северо-западе участка – слабонаклонное плато. Они безлесны, т.к. заняты сельским хозяйством или поселениями с огородами, дачами, сенокосами. В этом ландшафте мы выделили следующие ландшафтные урочища:
1. Урочище дренированных низких ледниковых равнин на валунных суглинках со свежими и влажными сураменями и раменями;
2. Урочище конечноморенных камовых холмов и гряд со свежими и влажными сураменями и раменями; часто заселены и распаханы;
3. Урочище дренированных слабовозвышенных плоских, слабонаклонных слабовозвышенных плато; часто заселены и распаханы;
4. Урочище днищ долин рек и ручьёв, где произрастают ивняки, тополёвники, черноольшаники и луга.
Лужско-Тосненский ландшафт представлен большим количеством ландшафтных урочищ и подурочищ:
1. Урочище дренированных низких ледниковых равнин на валунных суглинках со свежими и влажными сураменями и раменями;
2. Урочище конечноморенных камовых холмов и гряд со свежими и влажными сураменями и раменями, часто заселены и распаханы;
3. Урочище дренированных слабовозвышенных плоских, слабонаклонных плато с мелкозалежными песками. Часто заселены и распаханы;
4. Урочище днищ долин рек и ручьёв с ивняками, тополёвниками, черноольшаниками и лугами;
5. Подурочище оводнённых равнин с преобладанием сураменей;
6. Подурочище оводнённых равнин с преобладанием суборей и боров;
7. Урочище оводнённых низменных водно-ледниковых равнин на песках (оводнённые зандры) с влажными и сырыми борами и суборями;
8. Болотное подурочище средне- и мелкозалежных топяных мезотрофных комплексов;
9. Болотное подурочище глубокозалежных олиготрофных грядово-мочажинных комплексов центральных частей урочищ;
10. Выработанные осушенные и облесённые болотные урочища.
Выделено семь категорий земель, в состав которых входят не только лесные, но и не лесные земли (болота, сельхозугодья, земли населенных пунктов).
При анализе каждой категории земель учитывались следующие показатели: местоположение, величина уклона, экспозиция склона, средняя высота над уровнем моря, приуроченность к той или иной генетической форме мезорельефа, преобладающий тип четвертичных отложений.
Сделаны выводы о приуроченности различных категорий лесных земель к определенным типам литогенной основы ПТК. Например, на озах преобладают свежие субори и боры, а на камах чаще встречаются еловые сложные субори и сурамени. Почвы здесь состоят из более легких и пористых отложений (песчаных и супесчаных). Уклоны на этих территориях составляют 0,005 и более, следовательно, условия дренажа являются благоприятными не только для лесных растительных групп, но и для сельскохозяйственного освоения.
Экологические свойства земель Ижорского ландшафта
Некоторые учёные считают, что более 20% площади суши ландшафты практически преобразованы полностью. На тех территориях, которые характеризуются большой плотностью населения, природные территориальные комплексы почти не сохранились. Территории на 40-80% заняты сельскохозяйственными землями, населенными пунктами, дорогами, промышленными сооружениями и прочими результатами деятельности человека.
К таким территориям относится и Ижорский ландшафт. Здесь мы видим преобладание поселений и сельскохозяйственных земель. Исследуемый участок расположен на ордовикских известняках, сложен ледниковыми отложениями (моренами). Из полезных ископаемых встречаются известняки. Подземные воды в основном – трещиновато-пластовые и карстово-пластовые в известняках и доломитах.
Этот ландшафт, являясь восточной частью Ижорской возвышенности, занимает около 9% исследуемой нами территории. Здесь представлены четыре вида урочищ (рис. 4.5). В наиболее высокой части ландшафта вблизи посёлков Поги, Мыза, Кайболово, Пери, Шумба, Рамболово развит холмисто-гривистый рельеф конечных морен и камов. Рельеф урочищ конечных морен, камов, холмов и гряд отчётливо оконтуриваются по топографическим картам и аэроснимкам. Вдоль “хребтов” гряд расположены посёлки, а на склонах - приусадебные участки и сельскохозяйственные возделанные и невозделанные земли. Эти урочища отличаются наилучшим дренажом и наивысшим богатством земель.
Местоположения свежих и влажных липняковых раменей и сураменей в настоящее время почти полностью возделаны и заняты различными сельскохозяйственными землями.
Элементы ландшафта очень многочисленны; это природные и искусственные объекты, тела и предметы, которые закономерно распределяются в природном ландшафте. Они обнаруживаются на дистанционных изображениях, являются объектами картографирования на общегеографических и тематических картах. Элементы ландшафта так же, как основные компоненты, взаимосвязаны между собой, закономерно размещаются в природном ландшафте.
Элементы ландшафта являются индикаторами ПТК, их природных свойств, экологических режимов земель и поэтому были внимательно проанализированы по ландшафтным источникам информации.
Многочислены антропогенные элементы ландшафта, изображенные на общегеографических картах: населенные пункты с кварталами застройки, приусадебными участками, дома, промышленные сооружения, торфяные разработки, загоны для скота, железные дороги с насыпями и выемками, дороги, тропы, гати, зимники, ограждения [9]. На топографических картах крупного и среднего масштабов изображены квартальные и другие магистральные просеки, номера кварталов, контуры вырубок [36].
Резкая граница проходит по Невско-Ладожскому глинту, который виден на Пулковском шоссе и железной дороге Петербург-Москва у посёлка Саблино. С северо-запада ландшафт ограничен дренированной карбоновой возвышенностью (100 – 150 м над у.м.) Ижорского плато. Контрастная граница проходит по реке Славянка. Плато на 80% возделано сельским хозяйством, густо заселено, практически лишено болот. Леса представлены раменями дубравно разнотравными с дерново-карбонатными почвами на ордовикских известняках.
В ландшафте Ижорского плато преобладают свежие и влажные рамени, а большая часть территории хорошо дренированная, на её землях высокой трофности развиты дерново-карбонатные почвы, большая часть которых освоена сельским хозяйством. На дистанционных материалах всех масштабов в этом ландшафте хорошо видны островки свежих и влажных еловых раменей с осиной, липой, клёном, реже вязом, с подлеском из лещины, калины, черёмухи, покровом из копытеня, зеленчука, и др.
Анализ динамики землепользования на урбанизированной территории
При выборе тренировочных участков руководствовались критериями однородности спектральных характеристик разных классов. Различимость спектральных характеристик тренировочных участков по классам оценивалась на основе расстояния Джеффриса-Матуситы. Расстояние Джеффриса-Матуситы равно 2 в случае, если спектральные классы полностью отличаются и стремится к 0, когда спектральные классы идентичны.
Для проведения классификации материалов дистанционного зондирования был использован метод контролируемой классификации, предложенный Дариусом и Джастином, с использованием алгоритма максимального правдоподобия. При формировании набора тренировочных данных использовалось сочетание результатов полевых обследований с материалами спутниковых изображений [Phiri D, 2017].
Оценка точности результатов классификации спутниковых снимков выполнялась с помощью построения и анализа матрицы ошибок. При выполнении автоматизированной классификации важны как число пикселей-образцов, так и их расположение на снимке. Также имеет значение время сбора информации, поскольку спектральные характеристики изучаемых объектов в течение года могут значительно изменяться. Одной из основных характеристик качества классификации является достоверность классификации, определяемая как частное от суммы правильно классифицированных пикселей, расположенных по диагонали матрицы, на общее число пикселей, используемых при выборе тренировочных участков. Но на самом деле это число может быть случайным. Чтобы исключить фактор случайности при обобщении результатов классификации используют индекс Каппа Коэна. Статистика Каппа-Коэна КНАТ определяется по формуле: N-q где N - общее число пикселей тренировочных участков, d - число правильно классифицированных пикселей (сумма пикселей, находящихся на диагонали матрицы ошибок), q - число случайных результатов, вычисляемое через суммы пикселей в столбцах пс и в строках матрицы ошибок пг):
Для сравнительного анализа результатов классификации за разные годы использовали ГИС-функции преобразования растровых данных в векторные и пересечения векторных слоёв. После преобразования растровых результатов классификации в векторные полигоны появляется возможность детального рассмотрения каждого отдельного участка с учетом его расположения и геометрических характеристик. Функция пересечения векторных слоев позволяет выявлять и оценивать изменения за изучаемый период, а также строить карты динамики землепользования.
Анализ изменений площадей земель по 5 классам землепользования произведен с помощью специальной матричной модели [2]. Матричная модель динамики площадей основана на их балансе. Баланс площадей земель по категориям в смежные моменты времени имеет следующий вид: где, Sj (t) - площадь земель, находящихся в момент времени t в у-ом классе землепользования,у=1,...,и, где п число различных классов, в нашем случае п=5; Sy (t) - площадь, переместившихся из класса / в класс j к моменту времени t+І. Пусть где, Sjj(t) - площадь земель класса j, не изменивших его к моменту времени t+\, тогда балансовое соотношение примет следующий вид: п ;=1 Баланс площадей по классам землепользования позволяет оценить вероятности перехода земель из одного класса в другой. Пусть ру - вероятность перехода единицы площади из класса / в класс j. Тогда баланс площадей примет следующий вид:
Таким образом, если известна матрица Р и есть основания полагать, что она не изменяется во времени и вектор S(0) - распределение площадей изучаемой территории по классам землепользования в начальный момент времени, то можно определить такое распределение в любой последующий момент времени:
S(t) = S(0 Pl Элементы матрицы Р имеют самостоятельное значение, так как характеризуют вероятности осуществления соответствующих переходов земель из одного класса в другие.
На рис. 7.5 показаны исходные космические снимки Landsat, выполненные в вегетационный период, в 2001 и 2018 г. (комбинация каналов «естественные цвета»). На основе векторного слоя с границами области исследования были вырезаны фрагменты снимков Landsat для дальнейшей обработки (рис. 7.6).
На основе анализа материалов Лисинского научно-исследовательского и учебного полигона, проведенных полевых обследований и просмотра материалов космической съемки был сформирован набор основных классов землепользования, представляющих интерес для ландшафтно-морфологического анализа (таблица 7.3). Поскольку авторы не располагали официальными данными о точных границах участков, категориях и видах землепользования, рассматриваемые классы выделены условно и в значительной степени обобщены.
Для оценки динамики землепользования на изучаемой территории выделены следующие классы:
- высокопродуктивные лесные насаждения (лес «А») с запасами спелых древостоев более 100 м3/га,
- низкопродуктивные лесные насаждения (лес «Б») с запасами спелых древостоев менее 100 м3/га,
- земли сельскохозяйственного назначения, в том числе пашни и сенокосы,
- земли населенных пунктов, в том числе пути сообщения,
- болота.