Содержание к диссертации
Введение
1 Физико-географические условия региона исследования 13
1.1 Геоморфологические условия 13
1.2 Климатические условия 18
1.3 Почвенные условия 21
1.4 Растительность 23
1.5 Гидрографическая сеть 34
2 Проблема геоинформационного анализа, картографирования и моделирования состояния агролесоландшафтов волго-ахтубинской поймы 40
2.1 Теоретические предпосылки геоинформационного картографирования 40
и моделирования состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской пойме 40
2.2 Использование ГИС технологий для оценки и картографирования состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы 47
2.3 Моделирование состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы.56
3 Программа и методика геоинформационного анализа состояния агролесоландшафтов волго-ахтубинской поймы на основе аэрокосмической информации
3.1 Программа и объект исследования 61
3.2 Оценка состояния агролесоландшафтов и сохранности лесных насаждений Волго-Ахтубинской поймы 65
3.3 Методика дешифрирования почвенного покрова на основе космоснимков и применения ГИС технологий 68
3.4 Методика дешифрирования травянистого покрова на основе космоснимков и применения ГИС технологий 75
3.5 Методика дешифрирования древесно-кустарниковой растительности 78 на основе космоснимков с использованием геоинформационных технологий 78
4 Геоинформационный анализ, картографирование и моделирование состояния агролесоландшафтовволго-ахтубинской поймы 88
4.1 Геоинформационный анализ рельефа агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы 88
4.2 Картографирование почвенного покрова 93
4.3 Картографирование и моделирование состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы 98
4.4 Геоинформационное картографирование тестовых полигонов Волго-Ахтубинской поймы 107
4.4.1 Геоинформационное картографирование и анализ тестового полигона "Сахарный" 107
4.4.2 Геоинформационное картографирование и анализ тестового полигона "Колхозная Ахтуба" 119
4.4.3 Геоинформационное картографирование и анализ 131
тестового полигона "Суходол" 131
4.4.4 Геоинформационное картографирование и анализ тестового полигона "Каршевитое" 144
4.4.5 Геоинформационное картографирование и анализ полигона "Лещев" 151
4.4.6 Геоинформационное картографирование и анализ полигона "Громов" 158
5 Эколого-экономическая эффективность геоинформационного анализа картографирования и моделирования состояния агролесоландшафтов волго-ахтубинской поймы 165
5.1 Эколого-экономическая оценка состояния агролесоландшафтов 165
Волго-Ахтубинской поймы 165
5.2 Эколого-экономическая оценка состояния лесных насаждений
Волго-Ахтубинской поймы 168
5.3 Методология экономической оценки стоимости почв по материалам аэрокосмических исследований 170
Заключение 173
Список литературы 176
- Климатические условия
- Использование ГИС технологий для оценки и картографирования состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы
- Методика дешифрирования почвенного покрова на основе космоснимков и применения ГИС технологий
- Геоинформационное картографирование и анализ тестового полигона "Сахарный"
Введение к работе
Актуальность темы определена негативными изменениями, происходящими в Волго-Ахтубинской пойме вследствие зарегулирования стока реки Волга в результате функционирования Волжской ГЭС, что обусловило особые гидрологические и микроклиматические условия. Такая ситуация оказывает существенное влияние на аборигенные сообщества, которые заменяются другими видами, более приспособленными к данным условиям существования, или меняют свое местообитание. Проявления деградации древесной растительности связаны с зарегулированным по срокам и недостаточным сбросом воды гидроэлектростанцией. Происходит разрушение и обеднение почв. К существенной деградации ландшафта приводит антропогенное вмешательство: строительство и несанкционированное прокладывание дорог, незаконное строительство и выпас скота.
Волго-Ахтубинская пойма представляет собой особый экологический объект с уникальными для степной зоны пойменными условиями, которые обусловили наличие особого травянистого покрова и естественного лиственного леса, основу которого составляют дубравы. Агролесоландшафт поймы, как важнейший компонент биосферы и источник ресурсов имеет глобальное экологическое, экономическое и социальное значение.
Степень разработанности темы. До XVIII века отмечаются лишь отдельные упоминания о пойме (И.П. Фальк, С.Г. Гмелин, И.И. Лепехин). Начиная с ХIХ в., пойму начинают исследовать такие известные ученые как Э. Эверсман, К. Клаус, К.Бэр, И. Пачоский, А.Н. Краснов. В начале 20-х годов ХХ века начались детальные исследования отдельных природных явлений учеными: климата – Г. Давидом, почв – М. Кузьминым, растительности – Л. Казакевичем. В 30-х годах ряд важных исследований был проведен в пойме А.Д. Фурсаевым – по растительности, И.И. Плюсниным – по почвам, В.Н. Кузиным – по грунтовым водам. На современном этапе изучением растительного покрова занимаются: В.Б. Голуб, А.Н. Бармин, В.П.Зволинский, М.М. Иолин, А.А. Кищенко, Г.Ю. Клинкова, А.В. Кошелев, А.П. Лактионов, А.В. Луконина, Н.М. Новикова, В.Н. Пилипенко, А.Л. Сальников, И.С. Шарова, В.Д. Шульга, и рядом других ученых. Изучением водотоков и водного баланса: Д.С. Даирова, А.О. Леонов, А.П. Сидорин, О.В. Филлипов и другие. Изучением деградации, рекреации и природопользования занимаются следующие ученые: В.А. Антюфеев, А.Н. Бармин, Д.М. Заплавнов, С.Н. Канищев, Н.А. Самуленкова, Д.А. Солодовников и другие.
Изучение процессов изменения экологического состояния агролесо-ландшафтов Волго-Ахтубинской поймы, представляющей собой сложную экологическую систему, которая находится в состоянии неустойчивого равновесия, является важной научной задачей, а применение геоинформационных технологий обеспечивает необходимую точность, достоверность и координатную привязку данных о состоянии уникальных пойменных агролесо-ландшафтов.
С точки зрения истории, изучение территории Волго-Ахтубинской
4 поймы можно разделить на несколько этапов. К первому этапу следует отнести время до последней трети XVIII века, т.е. до академических экспедиций. Для него характерны лишь отдельные упоминания о пойме (И.П. Фальк, С.Г. Гмелина, И.И. Лепехиным). В ХIХ в. отношение к природе поймы несколько меняется. На данном этапе пойму начинают исследовать такие известные ученые как Э. Эверсман, К. Клаус, К.Бэр, И. Пачоский, А.Н. Краснов. Начало ХХ века стало переломным в изучении природы Волго-Ахтубинской поймы и составило особый, четвертый этап ее истории. Научный интерес к ней был вызван более интенсивным ее хозяйственным освоением (Г.И. Лаки-на «Леса Волжского займища», Н.С. Сажина «Волго-Ахтубинская пойма и сельское хозяйство в районе Сталинградского округа»). В начале 20-х годов начались детальные исследования отдельных природных явлений учеными Саратовской областной сельскохозяйственной станции: климата – Г. Давидом, почв – М. Кузьминым, растительности – Л. Казакевичем. В самостоятельную климатическую провинцию, для которой «при значительной влажности воздуха характерны высокие температуры», выделялась Волго-Ахтубинская долина Р. Давидом. «Этот своеобразный район волжской луговой растительности» был представлен Л. Казакевичем как азональный. В тридцатых годах ряд важных исследований был проведен в пойме А.Д. Фурсаевым – по растительности, И.И. Плюсниным – по почвам, В.Н. Кузиным – по грунтовым водам почвы. К шестому этапу следует отнести исследования, связанные со строительством Волжской ГЭС. В 1948-55 гг. изучение природы поймы велось коллективом ученых в составе отдельных экспедиций, объединяемых в одну большую Прикаспийскую экспедицию. В составе Прикаспийской экспедиции работала группа по исследованию пойменных лугов с 1952 по 1954 гг. В качестве основных экологических факторов отмечались особые гидрологические, климатические, почвенные и геоморфологические условия поймы. Работы таких ученых как А.Д. Фурсаева, О.Д. Родэ, Л.С. Родман, П.А. Шеппе-лем (1987), Р.С. Чалов и др., (1990-2000 гг.) имеют большую научно-методическую ценность в изучении территории Волго-Ахтубинской поймы.
В современном мире геоинформационные технологии активно внедряются для определения состояния ландшафтов. Выявление состояния лесных насаждений по результатам аэрокосмического мониторинга и выявление динамики лесных массивов являются важными задачами, решение которых обеспечит устойчивое функционирование уникальных лесных ландшафтов Волго-Ахтубинской поймы
При исследованиях ландшафтов Волго-Ахтубинской поймы использование ГИС-технологий позволяет проводить оценку их состояния и определить характер происходящих изменений, позволяет установить пространственные закономерности и взаимосвязи в распределении данных по ландшафтным объектам и перейти к определению и прогнозу их состояния.
Проведение регулярного аэрокосмического мониторинга для получения новых данных о состоянии ландшафтов является актуальным. Аэрокосмическая съемка позволяет получить информацию, являющуюся основным источником объективных данных об экологическом состоянии ландшафтов Волго-
5 Ахтубинской поймы. Они служат достоверной основой для разработки их динамических цифровых моделей, составления прогнозно-динамических карт состояния сельхозугодий на землях, подверженных различным видам деградации. Современные информационные компьютерные системы и технологии используются для обработки, хранения, обновления, интерпретации и представления собранных данных. Они интегрируют функции накопления, обработки картографической информации, хранения и математической интерпретации аэрокосмических снимков. Применение компьютерных технологий дает возможность повысить достоверность и качество получаемой информации при решении пространственных задач и динамического картографо-аэрокосми-ческого мониторинга деградационных процессов в ландшафтах.
Целью исследований являлся геоинформационный анализ современного состояния Волго-Ахтубинской поймы на основе ретроспективных и актуальных данных аэрофотосъемки, космической съемки, результатов полевых исследований, математического моделирования и картографирования агролесоландшафтов.
В рамках поставленной цели были решены следующие задачи:
оценить современное состояние агролесоландшафта на территории природного парка "Волго-Ахтубинская пойма" на основе дешифрирования аэрокосмической информации;
разработать методику компьютерного дешифрирования и картографирования пойменного ландшафта на основе геоинформационных технологий;
выполнить компьютерное моделирование на основе математической обработки данных о пространственно-временном распределении характеристик агролесоландшафтов;
выполнить дистанционную оценку и моделирование сохранности лесных насаждений на основе аэрокосмической информации и разработать космокарту сохранности лесных насаждений;
выполнить дистанционную оценку состояния пашни на основе аэрокосмической информации и разработать космокарту состояния пашни по содержанию гумуса;
проанализировать особенности рельефа с использованием цифровых моделей и данных полевых исследований, разработать геоинформационные картографические слои высотных отметок, углов наклона и уклонов склонов;
оценить динамику деградации агролесоландшафтов по результатам геоинформационного ретроспективного анализа.
Объект исследований. Волго-Ахтубинская пойма в пределах Волгоградской и Астраханской областей.
Научная новизна. Впервые выполнен анализ современного состояния территории Волго-Ахтубинской поймы на основе ретроспективных и актуальных данных аэрофотосъемки, космической съемки, результатов полевых исследований, математического моделирования и картографирования агролесоландшафтов. Получены новые знания о процессах деградации пойменных
ландшафтов в условиях антропогенного воздействия. Выявлены закономерности динамики состояния лесных насаждений, построены математико-картографические модели деградации на основе пространственно-временного анализа.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты, полученные в процессе геоинформационного анализа состояния и динамики аг-ролесоландшафтов на территории Волго-Ахтубинской поймы, создают теоретические основы геоинформационного исследования пойменных агролесо-ландшафтов на основе их тематического картографирования и пространственно-временного моделирования. Полученные данные расширяют информационную базу, обеспечивают прогноз состояния пойменных экосистем, чем вносят значительный вклад в развитие современной агролесомелиоративной науки. Разработанная локальная ГИС и полученные в процессе геоинформационного анализа космокарты могут быть использованы органами управления, природоохранными организациями, природными парками и др. для принятия решений по ландшафтному планированию особо охраняемых природных территории, а также для получения информации о состоянии аг-ролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы и разработки мер по восстановлению нарушенных экосистем.
Методология и методы исследований. При выполнении диссертации применялись научные методы и разработки отечественных и зарубежных ученых в области геоинформационных технологий и исследований ландшафта. Методология исследования заключается в использовании данных дистанционного зондирования Земли для определения состояния пойменных агро-лесоландшафтов на основе пространственно-временного геоинформационного, картографического анализа и полевого эталонирования.
Для решения задач исследования применялись программные комплексы SAS Planet, Global Mapper, ENVI 4.7, Surfer 11. В методическом плане оценка деградации проводилась по величине фототона в выделенном контуре космического изображения. Для автоматического определения величины фототона применительно к растровым снимкам территории исследования использовался программный комплекс ENVI.
Методологическая часть работы основывается на результатах исследований ФГБНУ «ВНИАЛМИ». Картографирование агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы проводилось на основе общепринятых методик по агролесомелиоративному картографированию и ландшафтоведению, разработанными и дополненными такими авторами как СП. Альтер, В.Д. Андроников, В.Н. Апонин, А.М. Берлянт, Б.В. Виноградов, К.Н. Кулик, А.С. Рулев, В.Г. Юферев.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: - методика компьютерного дешифрирования и геоинформационного картографирования современного состояния пойменных ландшафтов на основе космических снимков высокого и сверхвысокого разрешения, отличающихся пространственно-временным анализом их деградации в условиях ан-
7 тропогенного воздействия;
результаты оценки динамики сохранности лесных насаждений и состояния агроландшафтов в Волго-Ахтубинской пойме, отражающие усугубление деградации всех компонентов пойменной экосистемы;
результаты оценки сохранности лесных насаждений, свидетельствующие о том, что в настоящее время состояние лесных насаждений поймы соответствует уровню деградации «Кризис»;
геоинформационные картографические слои и математические модели ландшафта, позволяющие выполнять дистанционную оценку, моделирование и прогнозирование сохранности лесных насаждений;
экологические карты сельскохозяйственных угодий Волго-Ахтубинской поймы, показывающие ухудшение состояния, снижение пахотных площадей, увеличение площади зарастания пашни древесно-кустарниковой растительностью;
Степень достоверности и обоснованность полученных результатов.
Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается достаточно большим объемом аналитического и экспериментального материала, современными методами исследований, статистической и математико-картографической обработкой данных дистанционного зондирования Земли.
Личный вклад. Научные исследования проводились автором с 2013 по 2016 гг. по плану подготовки диссертации в аспирантуре и по тематическому плану ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский агролесомелиоративный институт» (№ Госрегистрации - 01201155630, 114103050002). Соискатель лично осуществил постановку проблемы, сформулировал цели и задачи, разработал программные вопросы, проводил полевые и камеральные работы, обобщил и изложил материалы исследований в диссертационной работе. Доля личного участия в выполнении работы и написании научных статей составляет 85%.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международных конференциях и симпозиумах: «Изучение, сохранение и восстановление естественных ландшафтов» (Волгоград, 2013); «Агролесомелиорация в системе адаптивно-ландшафтного земледелия: поиск новой модели (к 90-летию акад. РАСХН Е. С. Павловского)» (Волгоград, 2013); «Антропогенная трансформация пространства: история и современность» (Волгоград, 2014); «Изучение, сохранение и восстановление естественных ландшафтов» (Волгоград, 2015); «Защитное лесоразведение, мелиорация земель, проблемы агроэкологии и земледелия в Российской Федерации» (Волгоград, 2016).
Во время обучения в аспирантуре ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский агролесомелиоративный институт» и работы в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный социально-педагогический университет» автор принимал участие в грантах и хоздоговорных работах:
Проект ПРООН/ГЭФ 00047701 «Сохранение биоразнообразия водно-болотных угодий Нижней Волги» (2013-2014 гг.);
«Научное обоснование комплекса мероприятий по восстановлению биоразнообразия на ерике Каширин и озере Проклятое, подготовка проектно-
8 сметной документации на проведение работ по восстановлению биоразнообразия на данном участке, в соответствии с научно-обоснованным комплексом работ» от ПРООН/ГЭФ;
«Задачи сохранения биоразнообразия в политике и программах развития энергетического сектора России», ГБУ ВО ПП «ВАП» (2014 г.);
«Живи озеро - восстановление экосистемы озера Запорное Волго-Ахтубинской поймы, экорегион Нижняя Волга» EDM-RUS-02/2014 от 01.05.2014 г. от «Каждая капля имеет значение» бюро ПРООН (для Европы и стран СНГ) и Отделения Кока-Кола (для региона Евразии, Балкан и Средней Азии) в рамках программы ПРООН/ГЭФ - Минприроды;
Научно-исследовательская работа по Договору №101 от 11.07.2016 г. с ЗАО «Волговодпроект» «Разработка предложений по экологической реабилитации озер Проклятое, Камышистое и Кружное, ериков Судомойка, Сахарный и озера Запорное на территории Волго-Ахтубинской поймы Средне-ахтубинского муниципального района Волгоградской области»;
Научно-исследовательская работа по Договору №01-08/16 от 01.08.2016 г. с ГБУ ВО «Природный парк «Волго-Ахтубинская пойма» «Подготовка материалов комплексного экологического обследования территории природного парка, в части изменения режимно-функционального зонирования».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ общим объёмом 11,06 печ. л., в соавторстве - 8 печатных работ общим объёмом 10,62 печ. л., вклад автора диссертации - 3,09 п.л., доля личного участия в написании научных статей составляет 2,59 печ. л. или 85%.
Две статьи опубликованы в рецензируемых изданиях, предусмотренных списком ВАК Минобрнауки РФ для кандидатских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 195 страницах. Состоит из введения, пяти глав, заключения и предложений к производству. Содержит 45 таблиц, 87 рисунков. Список использованной литературы включает 221 наименование, в том числе 7 на иностранных языках.
Автор выражает благодарность за консультации по работе с программами и помощь в проведении работ при исследовании научному руководителю, доктору сельскохозяйственных наук Юфереву Валерию Григорьевичу.
Климатические условия
Сложные и неоднородные условия почвообразования, быстро меняющийся гидротермический режим природной среды обусловили формирования на территории области свыше 15 типов и большое количество подтипов почв. Список почвенных разновидностей насчитывает около 3000 [57, 157]. Согласно физико-географическому районированию, Волгоградская область расположена в степной и полупустынной зонах. В степной зоне преобладают черноземные и каштановые почвы, в то время как для полупустыни наиболее характерны светло-каштановые. Но подобное деление не всегда справедливо, в долинах рек степной и полупустынной зонах развиты плодородные пойменные почвы. Подобные почвы богаты питательными веществами и имеют сложное строение, а их образование происходит на речных наносах.
Территория Волго-Ахтубинской поймы вычленена из территорий комплекса Приволжской возвышенности. Почты Волго-Ахтубинской поймы интразональны и представлены, в основном, аллювиальными почвами. Подобный тип почв сложился благодаря водному режиму, который является доминирующим фактором почвообразования и обуславливает направленность и интенсивность почвообразовательного процесса. На процессы почвообразования определяющим образом воздействует режим вод. Характерное для поймы, временное избыточное увлажнение почв, на фоне резко засушливых климатических условий поймы, создает разнообразие почв не только по степени заболоченности, но и засоления, а также обуславливает совмещение модификаций почвообразовательного процесса.
В северной пойме различают несколько разновидностей почв: аллювиальные луговые насыщенные, в т.ч. карбонатные, засоленные, комплексы с солонцами луговыми; аллювиальные луговые слитые; луговые, в т.ч. засоленные; аллювиальные дерновые насыщенные, в т.ч. засоленные; аллювиальные лугово-болотные. Все эти типы почв представлены неравномерно и зависят от характера подстилающих отложений, водного режима и связанных с ними процессов обмена.
Основным типом почв, которые занимают более половины площади Волго-Ахтубинской поймы, являются аллювиальные луговые (насыщенные) почвы. Этот тип приурочен в основном к прирусловой части р. Волги, Ахтубы, крупным рукавам, притокам и протоками. Почвы залегают на разных уровнях (высоком, среднем и низком). Мощность гумусового слоя находится в пределах 65 см с содержанием гумуса около 5%.
B прирусловой зоне Волги и Ахтубы, а также в многочисленных ериков и протоках распространены поименно-аллювиальные луговые почвы. Значительную часть территории центральной поймы покрывают пойменные луговые темноцветные почвы. Для этих почв характерны равнинные и относительно дренированные массивы. Рассматриваемые почвы обладают отчетливо выраженным профилем. Им присуща комковато-зернистая структура гумусового горизонта, мощность в среднем 40-55 см. Лугово-болотные почвы характерны для пониженных, а лугово-лесные почвы приурочены к повышенным и дренированным участкам поймы. Волго-Ахтубинская пойма, находясь на стыке подзон сухой степи и полупустыни, является оазисом для всех форм жизни [30].
Пойменные луговые темноцветные слитые почвы или как их еще называют лугово-болотные почвы, являются характерными для понижений. Вышеупомянутые почвы являются одним из преобладающих элементов ландшафта поймы. Для подобных почв характерно содержание гумуса на уровне 3-5 %. Гранулометрический состав тяжелосуглинистый или глинистый. В условия недостатка почвенной влаги лугово-болотные почвы расщепляются широкими трещинами, размер которых может достигать до одного метра в глубину.
Следующий тип пойменные почв это влажно-луговые почвы. Их формирование происходит в замкнутых впадинах или вблизи берегов. Влажно-луговые почвы водонасыщенны за счет капиллярного поднятия, и их водонасыщенность практически не изменяется. Этому явлению способствует глинистый состав и поверхностное залегание грунтовых вод на уровне полутора метров. Содержание гумуса около 5 %, но без достаточного орошения происходит быстрое засоление. Лугово-лесные почвы приурочены к повышениям и хорошо дренированным участкам поймы. Для них характерна темная окраска и выраженная зернистая структура, а также тяжелый механический состав [157].
Для всей территории Волго-Ахтубинской поймы характерен пойменно-промывной водный режим. По механическому составу почвы Волго-Ахтубинской поймы, в основном, песчаные и супесчаные. Почвообразующие породы – глины и суглинки, подстилаемые русловыми песками [157].
Основываясь на трудах Невидомова А.М. (1993), можно сделать вывод, о том, что лесорастительный район северной части Волго-Ахтубинской поймы расположен на территории сухостепной и полупустынной зон юго-востока европейской части России. Для этого района характерен резко континентальный аридный климат. Поэтому, пойменные леса Волго-Ахтубы - являются сугубо азональными. Их формирование стало возможным только благодаря дополнительному увлажнению паводковыми и грунтовыми водами [140, 141].
По Невидомову А.М., «…под лесорастительным районом северной части Волго-Ахтубы следует понимать верхний отрезок Волго-Ахтубинской долины, в пределах которого развит полный эколого-генетический ряд лесной растительности поймы».
Для лесорастительного района характерны «пионерные» группировки кустарниковых видов ив (Salix acutifolia Willd., S. triandra L., S. viminalis L.), вязовые (Ulmus laevis Pall.) и дубовые (Quercus robur L.) леса. Данный лесораститель-ный район с юга ограничен линией: село Ступино Черноярского района до хутора Дуюнов Ахтубинского района. Южнее этой границы роль природных лесов в Волго-Ахтубинской пойме невелика, т.к. идет постепенное обеднение видового состава. Южнее границы лесорастительного района видовое разнообразие представлено лишь колками осокоря и ветлы, а в дельте Волги естественно произрастает только одна порода - ветла [140].
Северная субфация Волго-Ахтубинской поймы выклинивается из эколого-генетического ряда развития лесной растительности развитием звена чернооль-ховых лесов, характерных обычно для правобережья Волги. Так как условия притеррасного типа там не выражены.
Для южной субфации (Волго-Ахтуба ниже Каменного Яра) характерен ряд пойменных растительных сообществ, таких как: белотальники-чернотальники-ветловые и осокоревые леса.
На молодых прирусловых отложениях вначале происходит возникновение пионерных группировок кустарниковых видов ив (тальники). В дальнейшем происходит накопления аллювиально-пойменых наносов и поднятием участков над меженным уровнем рек, происходит формированием пойменных почв. Дальнейший естественный лесообразовательный процесс идет по законам генезиса. Последовательно происходит замещение промежуточных серийных сообществ лесов «наиболее динамичного (лабильного) крупно-гривистого прируслового (приречного) комплекса поймы (древовидные ивы и тополя как быстрорастущие мягко-лиственные древесные породы-пионеры, захватывающие новые пригодные для леса территории). Вязовники (ильмовые) являются связующим звеном и через них «формируются наиболее ценные как в хозяйственном, так и в экологическом отношении субклимаксовые (условно-коренные) твердолиственные (дубовые) леса -основные лесообразователи в переходной от прирусловой к центральной полого-гривистой эколого-генетической зоне поймы Волги и ее притоков» [142].
Использование ГИС технологий для оценки и картографирования состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы
По материалам Кулика К.Н., Рулева А.С., Юферева В.Г. можно сделать вывод о том, что современные ГИС выполняют ряд аналитических функций, таких как расчет площадей, построение контуров, длин, периметров, площадей поверхностей, объемов объектов. При их помощи можно определять вторичные характеристики рельефа – углы наклона склонов, экспозиции и др., а также выполнять построение граничных зон для ландшафтных объектов [210].
Работа с тематическими слоями дает возможность осуществлять операции с тематическими слоями с дальнейшим выделением элементов ландшафта.
Данные предоставляемые современными геоинформационными системами передают состав и структура реальных составляющих ландшафтов, таких как: рельеф, растительность, агролесомелиоративная защищенность, гидросеть. Помимо реальных составляющих ландшафта, современные геоинформационные системы передают и процессы, происходящие на ландшафте, такие как: эрозия, дефляция, истощение, деградация растительности.
Структура агролесомелиоративных геоинформационных систем определяется тематической направленностью и определенными научными и практическими задачами: - управление объектами моделирования и переходными процессами мето дами агролесомелиорации; - таксация и анализ состояния лесомелиоративных объектов; - оценка уровня деградации и состояния агролесоландшафта; - мониторинг растительных сообществ (древесно-кустарниковой и травяни 57 стой); - управление и планирование агролесоландшафтами;
Основными плюсами использования геоинформационных агролесомелиоративных систем являются возможности моделирования процессов деградации аг-роландшафтов, максимально точное определение их положения в пространстве, в используемой системе координат, и наблюдение изменения состояния ландшафтов по периодам времени. Более широкие возможности по моделированию и прогнозированию может предоставить введение в модель четвертой координаты — времени, это позволит ввести в геоинформационную систему понятие пространственно-временных данных [40, 173, 208].
Для получения данных об объектах исследования, так и для их территориальной привязки в ГИС используется картографический материал. К картографическим источникам относят общегеографические и топографические карты, кос-мокарты и тематические, производные карты.
Космические снимки в современных базах данных реализованы в цифровом виде и составляют класс растровых моделей, обрабатываемых компьютерными программными средствами цифровой коррекции изображений.
Геоинформационные системы дают возможность создавать картографические слои, обеспечивающие анализ и обработку разносторонней информации. Процесс цифрового картографирования агролесоландшафтов требует систематического математико-картографического моделирования с использованием компьютерных систем дешифрирования космических снимков.
Математико-картографическая модель динамики агролесоландшафтов базирующаяся на анализе космической информации обуславливает применение геоинформационных систем для регулярного мониторинга агролесоландшафтов.
Пространственно-временное моделирование процессов деградации агроле-соландшафтов базируется на динамических критериях их состояния по изменению проективного покрытия, увеличению площади деградации земель и др., что позволяют разрабатывать прогнозные модели таких процессов.
Подробное изучение процессов деградации по разновременным космосним 58 кам и послойное сравнение результатов дешифрирования состояния ландшафтов в течение длительного периода времени является основой динамического математико-картографического моделирования.
Для определения степени изменения ландшафта проводится ретроспективный анализ актуальных космокарт и их сравнение с разновременными снимками предыдущего периода картографирования и имеющимися в наличии аэроснимками.
Ретроспективный анализ - это математическая обработка и анализ информации полученной с помощью дешифрирования ДДЗЗ за длительные периоды времени. Уже почти полвека человечество осуществляет космосъемку, архив снимков у космических держав огромен и позволяет отследить процессы, которые длятся десятилетиями и в том числе и процессы изменения лесной растительности ВАП. Космические снимки являются моделью снятого участка поверхности, что свидетельствует о достоверности информации о ландшафте на момент съемки. Целями ретроспективного анализа являются: - определение трендов изменения объекта в целом; - диагностика проблем изменения состояния лесов ВАП; - факторный анализ. Ретроспективный анализ информации дает возможность создавать электронные карты с учетом актуальных изменений на исследуемых территориях, что в совокупности с цифровыми моделями рельефа, картографо-математическими моделями и другими данными обеспечит оценку динамики и прогноз деградации не только лесов, но и агроландшафтов в целом.
Ретроспективный взгляд из космоса на агроландшафты позволяет реконструировать ход процессов, проходивших с почвой на бывшем или действующем с\х поле или определить причину усыхания лесов, зарастание заброшенных пашен, пересыхание ериков, заболачивание луговых сообществ и так далее, то есть безвозмездно утраченных природно-антропогенных комплексов.
Методика дешифрирования почвенного покрова на основе космоснимков и применения ГИС технологий
В последнее время все большее внимание уделяется организации и проведению мониторинга состояния естественных ландшафтов на территории Волго-Ахтубинской поймы. Сложившаяся в настоящее время система мониторинга, не отвечает современным требованиям, по оперативности, точности и объему получаемой информации. Проведение исследований наземными методами сопряжено с необходимостью выполнения большого объема полевых работ, а наличие непроходимых участков на территории исследований затрудняет выполнение измерений.
Оперативную информацию о состоянии ландшафта на больших по площади территориях с требуемой детальностью и разрешением содержат данные дистанционного зондирования (ДДЗ).
Совокупность дистанционных и наземных средств получения информации о состоянии лесных насаждений и их динамике, положена в основу геоинформационных исследований ландшафтов. Основной составляющей таких исследований является моделирование пойменных ландшафтов по сериям разновременных космических снимков на базе программного обеспечения Global Mapper, Surfer, MapInfo, ENVI и др. позволяющее осуществлять оценку и прогноз изменения их состояния.
Организация и проведение геоинформационных исследований лесных насаждений проводится на основе дистанционного мониторинга, такие исследования представляют собой комплексную систему наблюдения, оперативной оценки состояния и динамики развития, прогноза изменений ландшафтов под влиянием природных и антропогенных факторов.
Зарубежный и отечественный опыт использования различных ГИС свидетельствует об оперативности получения данных и актуальности получаемой информации. Применения ГИС обусловлено большой площадью области исследований, необходимостью определения географического расположения явлений и объектов, а также их количественных и качественных характеристик. Предоставляемые геоинформационными, компьютерными технологиями возможности, это новые эффективные методы для выполнения широкого круга задач в сфере природоохранных мероприятий, анализа состояния и прогнозирования изменений ландшафта, недоступных для наземных методов.
Основным источником информации для выявления очагов деградации дре-весно-кустарниковой и травянистой растительности Волго-Ахтубинской поймы являются результаты аэрофотосъемки и космической съемки. Используя оптические аэрофотоснимки и космоснимки, можно точно определить площадь деградации, сохранность полога насаждений, проективное покрытие и выпады естественной растительности.
Для обеспечения устойчивости агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы, обеспечения их функционирования, проведения агролесомелиоративных работ необходима постоянная оценка их состояния, особенно в условиях неоптимального сброса воды Волжской ГЭС.
Традиционные методы оценки состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы, включающие полевые и камеральные исследования, затратны по используемым ресурсам и длительны по времени. Результаты, полученные при их проведении, не отражают особенностей на всей территории, что приводит к ошибочным выводам и ограничивает использование таких данных для оценки состояния агролесоландшафтов Волго-Ахтубинской поймы.
Тематическая обработка космической информации, предполагает использование космоснимков с разрешением от 0,4 до 10 м – позволяющих исследовать определенные детали ландшафта. Для более крупных деталей ландшафта, таких как лесные массивы, пашни, пастбища, возможно применение космоснимков с разрешением 30 м.
В результате компьютерной обработки и трансформации цифровых снимков разрабатывается обзорная космокарта территории исследований (рисунок 3.1). Карта позволяет выявить общее состояния агролесоландшафтов, подверженных деградации, и определить положения объектов мониторинга.
На такой карте обеспечивается объединение данных об отдельных объектах всей территории, выбранной для проведения исследований. Карта разрабатывается на базе цифровой топографической модели и космоснимков, с помощью геоинформационных комплексов (в программах MapInfo11, GlobalMapper17, OziExplorer и др.) с применением файлов привязки изображений к географическим координатам. Затем осуществляется измерение контрольных объектов на изображении и верификация их координат. Для точной привязки изображения, проводится его геометрическая трансформация.
С целью определения границ объектов, используют достоверную информацию (например, с топографической карты). Полученные данные внедряются в тематический слой "граница" дигитайзером по контрольным точкам, или наложением растровой информации на уже существующий слой.
Для того, чтобы определить вид деградации, степень (уровень) нарушения агролесоландшафта, уточнить координаты очагов, выявить количественную оценку их состояния и его составляющих необходимы более подробные карты масштаба – 1:10 000, 1:25 000 [1, 22]. Обычные топографические карты отличаются особенностью отображения информации и определенной условностью. Космокар-ты же, наоборот отражают реальные размеры элементов ландшафта и позволяют оценить их реальное состояние на дату съемки.
Геоинформационное картографирование и анализ тестового полигона "Сахарный"
Проведя вычисления количества пикселей находящихся в диапазоне dFN , для неизученных насаждений, можно установить деградацию древостоя по отдельным массивам в индивидуальном порядке.
При проведении геоинформационных исследований и пиксельном анализе гистограммы изображений древесно-кустарниковой растительности на космоснимках сверхвысокого разрешения являются «банком» данных об изучаемом объекте [151].
При анализе гистограмм в ретроспективном аспекте, происходит анализ разновременных космо- и архивных аэрофотоснимков, определяется основное направление и закономерности изменения фототона для площадей, занятых под насаждения. Данные получаемые в ходе ретроспективного и гистограммного анализа заносятся в таблицы.
При исследовании сохранности древесно-кустарниковой растительности Волго-Ахтубинской поймы нами была выбрана компьютерная система, позволяющая моделировать деградацию лесных насаждений. За основу принято использование периодического изучения определенной территории геоинформационными методами. Данный подход позволил оценить состояние насаждений на момент съемки и их состояние, а также проводить прогнозирование их дальнейшего состояния.
Применение геоинформационных комплексов на основе высокопроизводительных вычислительных машин и использование программных станций обработки результатов космосъемки позволило выполнять тематические картографические слои на исследуемые полигоны с оценкой деградации искусственных лесных насаждений и естественной древесно-кустарниковой растительности. Геоинформационные технологии дают возможность оперативно вносить произошедшие в ландшафтах изменения с периодичностью обновления, зависящей от скорости наблюдаемого процесса и наличия космоснимков.
Дистанционные исследования и картографирование деградации естественных и искусственных лесных насаждений, проводимые с использованием результатов аэрокосмической съемки, обеспечивают непрерывность мониторинга лесных массивов. Определение динамики уровня деградации древостоя заключается в выявлении закономерностей изменения площади кроны и полога древостоя в период вегетации на разновременных космоснимках.
Древесные насаждения реагируют на внешние воздействия и их изменения [151]. К деградации насаждений могут приводить неблагоприятные факторы, имеющие различную специфику – недостаток питательных веществ, воздействие болезней и вредителей. При истощении у дерева резервов, нарушаются процессы развития и ухудшается состояние кроны дерева.
У больных, или истощенных деревьев, в зависимости от породы, цвет на космоснимке смещается в области более светлого, листья (хвоя) утрачивают зеленый тон, приобретая различные цвета от светло желтого до оранжево-красного.
Данные дистанционного зондирования Земли высокого разрешения позволяют проводить как качественный, так и количественный анализ изображения, а так же выполнять статистическую оценку распределения фототона. Методика дешифрирования растровых изображений с применением геоинформационных комплексов позволяет значительно ускорить и повысить точность анализа, за счет применения всеобщего диапазона изменения фототона по каждому цветовому каналу в определенной цветовой схеме.
Автоматизация процесса перевода полученных данных в картографические слои, и последующее использование созданных карт позволяет определять не только состояние древостоя, но и ландшафта в целом.
Геоинформационные методы обработки цифровых изображений на компьютере, позволяют проанализировать изменение фототона вплоть до отдельно взятого элемента, а анализ расположения пикселей по растру позволяет получить разнообразные данные о состоянии древесно-кустарниковой растительности на момент съемки.
Используя полученные данные можно, не только оценить сохранность и текущее состояние лесных насаждений, но и прогнозировать их динамику. Данную функцию позволяет реализовать система компьютерного моделирования деградации насаждений на основе периодического мониторинга с применением аэрокосмических методов, с использованием принципа пространственно-временного подобия.
Аэрокосмические исследования дают возможность оценить уровень деградации лесных насаждений по их сохранности, обеспечивает определение их структуры и состояния, динамику изменяющейся экологической ситуации. Прогнозно-динамическое исследование и планирование действий для поддержания насаждений в стабильном состоянии осуществляется по результатам геоинформационных исследований насаждений.