Экосистемные территориальные единицы растительного покрова

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

лес геоинформационный мониторинг природоохранный

Леса являются одним из основных компонентов природной среды, обеспечивая естественное регулирование большинства протекающих в экологической системе Земли процессов, что предопределяет необходимость максимального сохранения природных свойств лесов. Без учета структуры и динамики изменения состава лесов России, а также анализа природных и антропогенных процессов, происходящих в лесах, невозможны реальные прогнозы глобальных изменений природной среды. В официальной «Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 гг.» (Концепция устойчивого развития, 2003) приоритетными признаны научные исследования, направленные на совершенствование программно-методического обеспечения мониторинга лесов и лесного хозяйства (разработка высокоэффективных технологий получения достоверной и оперативной информации о лесах, использование ГИС-технологин и т.п.). Одним из приоритетных направлений государственной экологической политики РФ в плане устойчивого развития и поддержания биоразнообразия является развитие системы особо охраняемых природных территорий. Национальные парки являются элементами сети особо охраняемых территорий для осуществления долгосрочного экологического мониторинга. В отличие от других природоохранных объектов, национальные парки совмещают широкий спектр задач - охрану природного и культурного наследия, организацию отдыха населения, поиск путей устойчивого развития территории - и являются наиболее массовой и распространенной в мировой практике формой охраны природы.

В последние десятилетия многие исследователи пришли к выводу, что экологические и социальные функции лесов, структуру лесного фонда, рост и производительность лесов наиболее целесообразно рассматривать в пределах природно-территориальных комплексов - географических ландшафтов. Каждый ландшафт имеет относительно однородное геологическое строение, на основании которого в процессе длительного развития сформировался определенный, свойственный только ему набор форм рельефа, климата, почв, расптгельности, и состоящее из свойственных только данному ландшафту закономерно повторяющихся в пространстве основных морфоструктурпых единиц ландшафта. Здесь происходят более упорядоченные процессы формирования, роста и развития дрсвостоев, отмечается значительное снижение значений варьирования основных таксационных показателей.

Актуальность темы. Для национальных парков России, расположенных преимущественно в лесной зоне, мониторинг лесов занимает главное место среди других видов экологического мониторинга - почв, подземных вод, воздушной среды и др. Лесной кодекс РФ (1997 г.) определяет мониторинг лесов как "систему наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда в целях государственного управления в области использования, охраны, защиты лесного фонда и воспроизводства лесов и повышенияих экологических функций''. Единой законодательно утвержденной методики ведения экологического мониторинга лесов на территориях национальных парков России пока не существует, ее разработка находится на стадии экспериментальных исследований (Малышева, и др, 2002.). Многочисленные исследования, посвященные выработке критериев и показателей состояния лесов на основе аэрокосмических технологий, проводятся преимущественно для лесных территорий интенсивного хозяйственного использования или малоосвоенных, труднодоступных лесов Сибири и Дальнего Востока и ориентированы в основном на выявление участков с концентрацией промышленных рубок, гарей, техногенного загрязнения, погибших насаждений. В последнее время широкое распространение получили методы изучения растительного покрова на основе различных индексов (вегетационного, зеленой листовой площади растительного покрова, фотосинтетически активной радиации, поглощаемой растительностью и др.), представляющих собой результаты специальной обработки материалов многозональных съемок, в целях глобального мониторинга биомассы экосистем в связи с изменениями климата Земли. Разработки в области фонового мониторинга состояния лесов дистанционными средствами на региональном и локальном уровнях (для отдельных природоохранных территорий или массивов девственных лесов) нс столь многочисленны.

Большинство общедоступных материалов космических съемок имеет малое и среднее разрешение, которое не позволяет получать развернутые характеристики состояния лесов в полном обьеме. Ряд исследований продемонстрировали возможность заметного увеличения достоверности дешифрирования и получения более развернутых характеристик лесного покрова на основе применения априорной инфрормации, содержащейся в топографических и физико- географических материалах. Например, использование параметров цифровых моделей рельефа при автоматизированных формальных процедурах дешифрирования позволяет повысить достоверность классификации на 20-25% (Пузаченко, Козлов 2005)

В связи с быстрым прогрессом аэрокосмических технологий и важностью организации наблюдений за состоянием лесных экосистем иа всей природоохранной территории разработка приобретает насущную необходимость. Поэтому выбор показателей для мониторинга состояния лесных экосистем, разработка геоинформационных технологий их определения по аэрокосмическим снимкам и увеличить степени достоверности дешифрирования и степени детальности является актуальной задачей

Цель работы - рассмотреть использование современных информационных технологий и ГИС в природоохранной деятельности на примере национального парка Нижняя Кама

В работе использованы результаты Четвертой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: "Шевченковская весна" КНУ им. Т.Г. Шевченко, г. Киев, март 2006 ("Выявление потенциальных типов условий местообитания лесной растительности на основе цифровой модели рельефа"); на XI ландшафтной конференции, Москва, МГУ, август 2006 ("Исследование структуры южно-таежного лесного покрова краевой зоны на основе данных космической съемки Landsat"); статья "Индикационные свойства древостоя в ландшафтах краевой зоны ".//Вестник Московского университета, серия "География”, 6,2006 г.

Глава 1. Определение параметров состояния лесов на основе геоинформационных технологий и цифровых моделей местности

1.1 Геоинформационные технологии

Геоинформационные технологии можно определить как совокупность программно-технологических средств получения новых видов информации об окружающем мире. Геоинформационные технологии предназначены для повышения эффективности: процессов управления, хранения и представления информации, обработки и поддержки принятия решений. По сфере использования ГИС не имеют себе равных. Они применяются в транспорте, навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике и т.д. Переход к автоматизированным методам создания карт с помощью ГИС имеет ряд преимуществ:

повышение точности картографической информации;

сокращение трудозатрат на изготовление продукции;

увеличение производительности труда за счет автоматизации от дельных операций или исключения их.

Методологической основой процессов обработки информации в ГИС является цифровое моделирование местности, объединяющее процессы сбора первичной информации, ее моделирования и обновления, обработки и формирования документов[71, C. 153].

За счет применения современных технических средств осуществляется автоматизация полевых и камеральных работ.

Использование ГИС происходит на разных уровнях. Это обусловлено многообразием геоинформационных технологий.

Выделяют следующие территориальные уровни использования ГИС в России:

глобальный уровень - Россия на глобальном и евразийском фоне, масштаб 1: 4 500 000 - 1: 100 000 000;

всероссийский уровень - вся территория страны, включая прибрежные акватории и приграничные районы, масштаб 1: 2 500 000-1: 20 000 000;

региональный уровень - крупные природные и экономические регионы, субъекты Федерации, масштаб 1: 500 000 - 1: 4 000 000;

локальный уровень - области, районы, национальные парки, ареал кризисных ситуаций, масштаб 1: 50 000 - 1 000 000;

муниципальный уровень - города, городские районы, пригородные зоны, масштаб 1: 50 000 и крупнее.

К основным компонентам ГИС относят: техническое, программное, информационное обеспечение. Требования к компонентам ГИС определяются, в первую очередь, пользователем, перед которым стоит конкретная задача (учет природных ресурсов, либо управление инфраструктурой города), которая должна быть решена для определенной территории, отличающейся природными условиями и степенью ее освоения.

Техническое обеспечение - это комплекс аппаратных средств, применяемых при функционировании ГИС: рабочая станция или персональный компьютер (ПК), устройства ввода-вывода информации, устройства обработки и хранения данных, средства телекоммуникации.

Рабочая станция или ПК являются ядром любой информационной системы и предназначены для управления работой ГИС и выполнения процессов обработки данных, основанных на вычислительных или логических операциях. Современные ГИС способны оперативно обрабатывать огромные массивы информации и визуализировать результаты[14, C. 54].

Ввод данных реализуется с помощью разных технических средств и методов: непосредственно с клавиатуры, с помощью дигитайзера или сканера, через внешние компьютерные системы. Пространственные данные могут быть получены электронными геодезическими приборами, непосредственно с помощью дигитайзера и сканера, либо по результатам обработки снимков на аналитических фотограмметрических приборах или цифровых фотограмметрических станциях.

Устройства для обработки и хранения данных сконцентрированы в системном блоке, включающем в себя центральный процессор, оперативную память, внешние запоминающие устройства и пользовательский интерфейс.

Устройства вывода данных должны обеспечивать наглядное представление результатов, прежде всего на мониторе, а также в виде графических оригиналов, получаемых на принтере или плоттере (графопостроителе), кроме того, обязательна реализация экспорта данных во внешние системы.

Программное обеспечение - совокупность программных средств, реализующих функциональные возможностей ГИС, и программных документов, необходимых при их эксплуатации.

Структурно программное обеспечение ГИС включает базовые и прикладные программные средства.

Базовые программные средства включают: операционные системы (ОС), программные среды, сетевое программное обеспечение и системы управления базами данных. Операционные системы предназначены для управления ресурсами ЭВМ и процессами, использующими эти ресурсы. На настоящее время основные ОС: Windows и Unix.

Любая ГИС работает с данными двух типов данных - пространственными и атрибутивными. Для их ведения программное обеспечение должно включить систему управления базами тех и других данных (СУБД), а также модули управления средствами ввода и вывода данных, систему визуализации данных и модули для выполнения пространственного анализа.

Прикладные программные средства предназначены для решения специализированных задач в конкретной предметной области и реализуются в виде отдельных приложений и утилит[34, C. 61].

Информационное обеспечение - совокупность массивов информации, систем кодирования и классификации информации. Информационное обеспечение составляют реализованные решения по видам, объемам, размещению и формам организации информации, включая поиск и оценку источников данных, набор методов ввода данных, проектирование баз данных, их ведение и метасопровождение. Особенность хранения пространственных данных в ГИС - их разделение на слои. Многослойная организация электронной карты, при наличии гибкого механизма управления слоями, позволяет объединить и отобразить гораздо большее количество информации, чем на обычной карте. Данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные могут подготавливаться самим пользователем либо приобретаться. Для такого обмена данными важна инфраструктура пространственных данных.

Инфраструктура пространственных данных определяется нормативно-правовыми документами, механизмами организации и интеграции пространственных данных, а также их доступность разным пользователям. Инфраструктура пространственных данных включает три необходимых компонента: базовую пространственную информацию, стандартизацию пространственных данных, базы метаданных и механизм обмена данными.

Геоинформационные системы и ГИС-технологии объединяют компьютерную картографию и системы управления базами данных. Концепция технологии ГИС состоит в создании многослойной электронной карты, опорный слой которой описывает географию территории, а каждый из остальных слоев - один из аспектов состояния территории. Тем самым ГИС-технологии определяют специфическую область работы с информацией.

Технология ГИС применима везде, где необходимо учитывать, обрабатывать и демонстрировать территориально распределенную информацию. Пользователями ГИС-технологии могут быть как организации, чья деятельность целиком базируется на земле владельцы нефтегазовых предприятий, экологические службы, жилищно-коммунальное хозяйство, так и многочисленные коммерческие предприятия - банки, страховые, торговые и строительные фирмы, чья успешная работа во многом зависит от правильного и своевременного учета территориального фактора[31, C. 78].

В основе любой ГИС лежит информация о каком-либо участке земной поверхности: континенте, стране, городе, улице.

БД организуется в виде набора слоев информации. Основной шрифт содержит географически привязанную карту местности (топооснова). На него накладываются другие слои, несущие информацию об объектах, находящихся на данной территории: коммуникации, в том числе линии электропередач, нефте- и газопроводы, водопроводы, промышленные объекты, земельные участки, почвы, коммунальное хозяйство, землепользование и др.

В процессе создания и наложения слоев друг на друга между ними устанавливаются необходимые связи, что позволяет выполнять пространственные операции с объектами посредством моделирования и интеллектуальной обработки данных.

Как правило, информация представляется графически в векторном виде, что позволяет уменьшить объем хранимой информации и упростить операции по визуализации. С графической информацией связана текстовая, табличная, расчетная информация, координатная привязка к карте местности, видеоизображения, аудиокомментарии, БД с описанием объектов и их характеристик.

Многие ГИС включают аналитические функции, которые позволяют моделировать процессы, основываясь на картографической информации.

Программное ядро ГИС можно условно разделить на две подсистемы: СУБД и управление графическим выводом изображения. В качестве СУБД используют SQL-серверы.

Рассмотрим типовую схему организации ГИС-технологии, в настоящее время сложился основной набор компонентов, составляющих ГИС. К ним относятся:

приобретение и предварительная подготовка данных;

ввод и размещение данных;

управление данными;

манипуляция данными и их анализ;

производство конечного продукта.

Функциональным назначением данных компонентов является:

Приобретение и подготовка исходных данных; включает манипуляции с исходными данными карт - материалами на твердой или бумажной основе, данными дистанционного зондирования, результатами полевых испытаний, текстовыми (табличными) материалами, с архивными данными.

Ввод и размещение пространственной и непространственной составляющих данных включает конвертирование информации во внутренние форматы системы и обеспечение структурной и логической совместимости всего множества порождаемых данных.

Управление данными предполагает наличие средств оптимальной внутренней организации данных, обеспечивающих эффективный доступ к ним.

Функции манипуляции и анализа представлены средствами, предназначенными для содержательной обработки данных в целях обработки и реорганизации данных. С точки зрения пользователя, эти функции являются главными в ГИС-технологиях, потому что позволяют получать новую информацию, необходимую для управления, исследовательских целей, прогнозирования.

Производство конечного продукта включает вывод полученных результатов для конечных потребителей ГИС. Эти продукты могут представлять карты, статистические отчеты, различные графики, стандартные формы определенных документов.

Кроме этого, каждый картографический объект может иметь атрибутивную информацию, в которой содержится информация, которая не обязательно должна отображаться на карте (например, число жильцов какого-либо дома и их социальный статус) [22, C. 62].

Подавляющее большинство ГИС-систем различают геометрическую и атрибутивную компоненты баз данных ГИС. Их часто называют также пространственными (картографическими, геометрическими) и непространственными (табличными, реляционными) данными.

Картографическая информация представляется точками, кривыми и площадными объектами.

Атрибутивная информация содержит текстовые, числовые, логические данные о картографических объектах. Большинство современных ГИС-инструментариев позволяют хранить информацию в составе БД, как правило, реляционных.

Атрибутивная информация хранится в виде отдельных табличных файлов, как правило, в форматах реляционных баз данных систем DBF, PARADOX, ORACLE, INGRESS. Такой способ характерен как для западных коммерческих продуктов, так и современных отечественных разработок.

1.2 Мониторинг лесов национальных парков

Оценка состояния лесов является составной частью лесного мониторинга. Лесной кодекс РФ (1997 г.) определяет мошпоринг лесов как "систему наблюдений, оценки и прогноза состояния и дииамит лесного фонда в целях государственного управления е области использования, охраны, защиты лесного фонда и еосщюизводства лесов и повышения их экологических функций". Современный мониторинг - это многоуровневая система, базирующаяся на различных средствах сбора, анализа н обработки информации.

В состав методов получения информации о состоянии лесов и пространственном распределении лесного покрова входят аэрокосмическое зондирование, разнообразные способы наземных наблюдений, лабораторные исследования, использование фондовых материалов. Технической базой для хранения, обработки, анализа и представления информации является многофункциональная ГИС, обеспечивающая совместимость и агрегирование данных на каждом пространственном уровне ведения мониторинга. Развитие аппаратных средств цифровой космической съемки в сочетании с прогрессом автоматизированных методов обработки снимков служат основой для интеграции в ГИС космических данных, получаемых в режиме реального времени с различным уровнем детальности и территориального охвата и пригодных для ведения мониторинга[43, C. 53].

На территориях национальных парков как и на всех территориях, относящихся к землям государственного лесного фонда, проводятся различные виды лесного мониторинга, включающие лесопатологический, лесопожарный, лесохозяйственный. Цели и задачи лесного мониторинга, методы сбора данных и показатели для каждого уровня наблюдений разработаны и определяются отраслевыми документами Министерства природных ресурсов. Однако в отличие от территорий интенсивного хозяйственного использования, для особо охраняемых природных территорий на первый план, согласно существующему закону, выходят задачи экологического мониторинга. Под экологическим мониторингом лесов понимается система наблюдений, которая оперирует интегральными показателями и критериями, позволяющими оценивать и прогнозировать динамику лесных сообществ, продуктивность экосистем, изменение экологических функций лесов (Малышева, и др., 2002). Одним из основных условий сохранения уникальных природных комплексов является поддержание и восстановление биоразнообразия на природоохранных территориях.

Выделение экосистем для организации системы наблюдений можно проводить на основе разных параметров: по степени замкнутости круговорота веществ и энергии (экосистсмный подход) или по степени доминирования какого-либо вида растительности (популяционный подход). По мнению многих исследователей, преимущество организации экологического мониторинга лесного покрова с использованием популяционного принципа заключается в эффективности данного метода для разработки режимов охраны и оптимизации структуры лесных территорий (Истомина, 1997; Ярмишко, 1997) [22, 57]. При выборе аэрокосмических методов сбора данных для ведения экологического мониторинга также считается целесообразным принять в качестве основы проведения границ между экосистемами популяционный подход, т. е. выделение экосистем по растениям эдификаторам, преобладающим в составе сообществ. Космические снимки объективно изображают физиокомнчные объекты местности, позволяя дешифрировать различные типы растительности и их состояние. Состояние лесов определяется как их качественная характеристика но комплексу показателей, которая отражает соответствие объекта определенной норме в конкретном месте и в конкретное время. К таким показателям можно отнести сохранность эколого-ресурсных функций, продуктивность, антропогенную нарушенность, устойчивость лесов к определенным видам и факторам воздействия, разнообразие абиотических и биотических компонентов и пр, (Малышева, 2002).

Проблемы состояния лесов и устойчивого управления лесами решаются в рамках международного сотрудничества (Хельсинская конференция по вопросам устойчивого управления лесами Европы 1993 г., Монреальский процесс по выработке критериев н индикаторов для сохранения умеренных и бореальных лесов 1994 г. и т. д.) [38, C. 32]. Важная роль лесов особо охраняемых территорий заключается в сохранении биоразнообразия и устойчивости лесных экосистем для поддержания экологического баланса на региональном и биосферном уровне. На основе международных параметров для устойчивого управления лесами России разработаны и предложены принципы и основные экологические критерии, и индикаторы (Страхов, 1998). Критерий описывает различные стороны устойчивости иа уровне понятий, т.е. представляет собой категорию условий или процессов, на основе которых может быть оценено устойчивое управление лесами. Критерий характеризуется совокупностью соответствующих индикаторов, мониторинг которых производится периодически с целью оценки происходящих изменений. Индикатор является мерой качественной или количественной стороны критерия. Его следует рассматривать ие как отдельную единичную оценку критерия, а как ряд характеристик за определенный период с целью выявления тенденций изменения критерия. Признано также, что сам по себе какой-либо критерий или индикатор ие служит признаком устойчивого управления лесами, а действует только в контексте и в совокупности с другими критериями и индикаторами. Критерии и индикаторы зафиксированы в руководящем документе Федеральной службы лесного хозяйства России “Критерии и индикаторы устойчивого управления лесами Российской Федерации" (1998)

Критерий I - Поддержание и сохранение продуктивной способности лесов.

Индикаторы - Доля площади эксплуатационных лесов относительно общей площади лесных земель; доля площади покрытых лесной растительностью земель относительно общей площади лесных земель; отношение допустимого (расчетного) объема древесины к фактически вырубаемому объему; запасы и объемы использования недревесной продукции леса и др. Критерий 2 - Поддерэюание санитарного благополучия и жизнеспособности лесов.

Индикаторы - Общая площадь лесов, усыхающих или погибших под воздействием неблагоприятных факторов: пожаров, вредителей и болезней, промышленных выбросов, прочих факторов; площадь лесов, загрязненных радионуклидами; площадь лесов, подвергаемых действию оцениваемых воздушных поллютантов.

Критерий 3 - Сохранение и поддержание защитных фупщий лесов.

Индикаторы - Доля лесной площади, используемой для защиты почв от эрозии; доля лесной площади, используемой для водоохранных целей; доля лесной площади, используемой для других защитных функций: притундровые, субальпийские леса.

Критерий 4 -- Сохранение и поддержание биологического разнообразия лесов и их вклада в глобальный углеродный гщкя.

Индикаторы - Доля площади покрытых лесной растительностью земель, занимаемая хвойными, твердолиственными и мягколиственными насаждениями, относительно общей площади покрытых лесом земель; доля площади земель, покрытых лесной растительностью, по основным лесообразующим породам от общей площади покрытых лесом земель; доля площади земель, покрытых лесной растительностью, по классам и группам возраста; доля площади особо охраняемых лесных территорий от общей площади земель лесного фонда; фрагментарность лесов; общее накопление углерода в лесных насаждениях и по основным лесообразующим породам.

Определение перечисленных индикаторов предусматривается в основном по статистическим материалам Государственного учета лесного фонда России (ГУЛФ). Однако для некоторых количественных площадных параметров возможно применение аэрокосмических методов сбора данных.

В России проблеме определения показателей состояния лесного покрова посвящено множество исследований (Киреев, 1973; Калашников, 1987; Рожков, 1989; Исаев, Сухих, 1991; Мозолевская, 1996; Виноградов, 1998;Жирнн, 1998; Страхов, 1998 и др.).

Н. Г. Мозолевская (1996) предлагает следующие классификационные признаки выделения лесиых экосистем для ведения мониторинга - природная зона и тип ландшафта, уровень промышленного освоения территории, лесистость и ее соответствие оптимальной, целевое назначение и группа лесов, климатические показатели и оценка климата по характеру его возможного влияния на лес, состав лесообразующих пород, возрастная структура лесов основных пород, их средние таксационные показатели, виды антропогенной нагрузки и ее степень. Главными показателями для характеристики состояния лесиых насаждений являются: 1) структура древостоя - доля деревьев разных категорий состояния с указанием породы, ступени толщины, поражениости различными неблагоприятными факторами; 2) индекс состояния насаждений при явных признаках дефолиации деревьев; 3) доля и запас текущего и общего отпада; 4) класс устойчивости (категория состояния) насаждений.

А. Рожков, В. Т. Козак (1989) используют в качестве основных экологических показателей следующие: а) степень естественности лесов, % девственных и естественных лесов от лесопокрытой площади; б) целостность лесов, % насаждений от лесопокрытой площади (остальное - гари, вырубки, ветровалы и др.); в) средний возраст насаждений; г) средняя сомкнутость насаждений (в десятых долях единицы); д) площадь хвойных насаждений, % от лесопокрытой площади. Эти показатели характеризуют устойчивость лесов достаточно полно: их параметры сформировались под влиянием климатических факторов, лесных пожаров, вспышек массового размножения дендрофильных насекомых, эпифитотий грибных болезней, повреждений грызунами н копытными, лесохозяйственной, промышленной и прочей деятельностью человека.

Б. В. Виноградов предлагает наряду с фипгоцеиотическими и зооценотичеешми показателями применять лесоценотические показатели для характеристики экологического неблагополучия территорий. В их число входят: лесистость, в % от зональной; относительная площадь хвойных, в % от лесопокрытой площади; полнота древостоя; площадь спелых насаждений; относительная площадь древостоев, поврежденных болезнями и вредителями, в % от лесопокрьгтой площади; площадь залесенных гарей в % от лесопокрытой площади; площадь заболоченных гарей и вырубок в % от лесопокрьгтой площади и др. [12, C. 121]

Для характеристики устойчивости лесных экосистем В. М. Жирин предлагает использовать показатели, численные значения которых определены иа основе соотношения площадей лесных и нелесных, покрытых и непокрытых лесной растительностью земель, площадей хвойных и лиственных насаждений с подразделением на высоко- и низкополногные и выделением спелых древостоев, а также площадей производных лесов.

И. Сухих определяет структуру данных об экологическом состоянии лесов как информацию о динамике лесистости, площади хвойных и лиственных лесов, их видовом составе, полноте, возрастной структуре, приросте, площадях и концентрации гарей, вырубок, антропогенной деятельности на территории лесных земель, анитарио-лесопатологическом состоянии лесов[89, C. 66].

Перечисленные показатели достаточно полно отражают состояние древостоев и определяются почти исключительно методами наземных обследований. Однако некоторые из этих показателей можно получить, используя аэрокосмические технологии сбора данных в целях мониторинга состояния лесов. Аэрокосмические методы при минимальном объеме наземных наблюдений обеспечивают пространственное представление динамики лесов, своевременное обнаружение неблагоприятных воздействий на лесные экосистемы, оценку их сохранности. Для больших по площади национальных парков, на территории которых есть труднодоступные районы, использование космических сиимков становится необходимым и иногда единственным реальным способом регистрации неблагоприятных изменений состояния лесов.

На основе работ по обследованию состояния лесов особо охраняемых территорий с помощью дистанционных технологий, предложена многоуровневая организация системы наблюдений в национальных парках равнинных районов, с использованием комплекса показателей, адекватных международным критериям и индикаторам устойчивого управления лесами (Малышева, Орлова, Князева, 2002). Показатели разделены на две группы - универсальные для всех лесных природоохранных территорий и специальные, выбор которых определяется географическими особенностями территории парка. Универсальные показатели включают:

лесистость - отношение площади покрытых лесом земель к площади территориальной единицы наблюдения (%);

целостность - отношение площади покрытых лесом земель к площади лесных земель в пределах территориальной единицы наблюдения (%);

доля участия насаждений основных лесооб/юзующих пород - отношение площадей, запятых насаждениями лесообразующих пород (хвойными, твердолиственными) к площади покрытых лесом земель в пределах территориальной единицы наблюдения (%);

доля водных объектов - отношение суммарной площади объектов гидрографии к площади территориальной единицы (%).

К специальным показателям отнесены:

заболоченность - отношение суммарной площади болотных комплексов к площади территориальной единицы (%); а также ряд других.

Комплекс универсальных и специальных показателей прямо или косвенно характеризует устойчивость лесов и экосистемное разнообразие на территориях национальных парков. Для относительно крупных элементов ландшафта определение «устойчивость лесов», по мнению ряда

авторов, соответствует понятию «состояние лесов» (Рожков, Козак, 1989). Поэтому предложенные показатели могут служить основой для организации наблюдений состояния лесных экосистем по материалам космических съемок.

Для пространственной организации наблюдений целесообразно использовать следующие единицы территориального деления:

природные (бассейны рек разного порядка, ландшафтные единицы разных таксономических рангов);

административно-хозяйственные (территории с различным режимом охраны, зашиты и использования - функциональные зоны и подзоны парков, лесничества, кварталы, отдельные выделы).

Бассейновый (геосистемный) принцип районирования территории предпочтителен при оценке сохранности лесных экосистем, выполняющих водоохранные и противоэрозионные функции (Корыгный, 2002). Для небольших и средних по площади национальных парков удобно деление территории по хозяйственно-административным единицам - лесоустроительным кварталам[71, C. 153].

Каждому уровню наблюдений соответствуют дистанционные данные, получаемые различной аппаратурой с разных носителей. Средства сбора данных на каждом пространственном уровне мониторинга сочетаются н взаимно дополняют друг друга.

1.3 Экосистемные территориальные единицы растительного покрова

Для картографирования состояния леса и организации наблюдений необходимо выделить элементарную единицу. Картографирование состояния лесов и условий среды национальных парков формируется в рамках классического биоцентрического (бноэкологического) направления в экологическом картографировании. (Сочава, 1979; Востокова и др., 1988; Преображенский, 1990; Исаченко, 2001; Стурман, 2003; и др.). В рамках этой концепции в качестве элементарных единиц используются экосистемы (биогещенозы), позволяющие отразить экологические условия произрастания растительности, и в сочетании с природными и антропогенными факторами определить максимальный экологический потенциал природных комплексов территории. По современным представлениям лесная элементарная экосистема должна занимать площадь не меньше ареала популяции доминанта-эдификатора, образующего древостой, т, е. совокупности функционально связанных биогеоценозов, представленных разными типами леса и находящимися на разных стадиях сукцессиопного процесса. Такую группу функционально сопряженных биогеоценозов считают элементарным объектом биоразнообразия на экосистемном уровне (Методология оценки состояния экосистем, 2000) [71, C. 153].

Экосистема, как известно, состоит из биоценоза и экотопа (биотопа). В биоценоз помимо растительности входит животный мир и микроорганизмы. Однако, поскольку древесная растительность является главной частью лесного биоценоза, которая оказывает наибольшее воздействие на остальные организмы и на формирование биотопа, оказывается возможным ограничить картографирование биоценоза только его растительным звеном - фитоценозом. Так как картографирование ведется дистанционными средствами, то характеристика экосистем ограничена возможностями дешифрирования материалов съемки. Как показано выше, космические снимки объективно изображают особенности природного рисунка местности, характерные для данного ландшафта, физиономичные объекты территории, к которым относится растительность. Снимки позволяют выделить по спектральным и текстурным характеристикам однородные участки территории и дать им качественную и количественную экологическую оценку только по данным наземных обследований (Аэрокосмическое экологическое картографирование, 1995).

В современной геоботанике придается большое значение исследованию отношений растительность - абиогенная среда Абиотическую среду делят по принципу ее трансформирован*юсги живыми организмами на экотоп н биотоп (Ипатов, Кирикова, 1999). Экого** - это совокупность элементов абиотической среды, неизменных под влиянием данного сообщества. Различия между сопряженными экотопами должны находить отражение в растительности (Миркин, Наумова, 1999, Ипатов, Кнрикова, 1999). Однако в практической работе гео ботаники сталкиваются с большими проблемами отождествления биотопа как объекта для характеристики растительного покрова на определенном пространственном уровне, В результате практически всегда, особенно при работе в ГНС, для выделения пространственных единиц картирования структуры и состояния леса геоботаники вынуждены использовать либо ландшафтно-структурный подход (Малышева и др., 2002, Князева, 2006 и др.), либо геосистемно - бассейновый подход (Носова, Заугольнова, и др., 2001, Тихонова, 2006). Что касается выделения границ экотопа (или биотопа) по космическим снимкам - задача вообще практически неразрешимая, поскольку отсутствуют данные о генезисе, составе подстилающих пород, почвенно-грунтовых условиях и напочвенном покрове, да и рельеф серьезно замаскирован.

Таким образом, для того чтобы детально изобразить на карте лесные экосистемы - основной объект аэрокосмического экологического мониторинга, характеристику экосистем предлагается разбивать на две части: более подробную классификацию растительности, как наиболее динамичного и разнообразного компонента экосистемы, и обобщенную характеристику местообитаний (экотопов). Причем, границы экосистем и характеристики биотопов приводятся практически по результатам заранее проведенной крупномасштабной ландшафтной съемки, элементарный выдел соответствует урочищу (Князева, 2006).

В классификации лесов элементарным объектом является комплекс лесных сообществ в пределах одного типа лесорастигельных условий (Рысин, 1995). Поэтому чрезвычайно важно при организации лесного мониторинга провести выделение типов лесорастительных условий (или типов условий местообитания - ТУМ), которые определяются по плодородию н увлажнению почвы.

Под местообитанием понимается совокупность экологических условий существования находящегося здесь фитоценоза, некоторые из которых возникают в результате жизнедеятельности самого фитоценоза (Сукачев, 1966). Все лесотипологические классификации обладают ярко выраженными региональными чертами, так как разрабатывались иа примере исследований в разных географических зонах (Погребняк, 1956; Сукачев, 1972; Седых, 1991). Использование любой классификации типов леса требует внесения изменений и дополнении, связанных с географическими особенностями района картографирования. Выбор классификации н типологического ранга картографируемых объектов зависит от площади и особенностей природных комплексов на территории национального парка, а также от методов сбора данных. Названия лесных фитоценозов в легенде даны в соответствии с классификацией типов леса В. Н. Сукачева, которая разрабатывалась для сосновых и еловых лесов северо-западных районов страны. Данная типология лесов традиционно используется яри проведении лесоустроительных работ, что обеспечит простоту совместного использования картографических лесоустроительных материалов и базовой карты экосистем. В классификации В. Н. Сукачева тип леса соответствует типу биогеоценоза, под которым понимается растительное сообщество или фитоценоз, населяющий его животный мир (зооценоз) и соответствующий участок земной поверхности со своими свойствами микроклимата, геологического строения, почвы н водного режима, которые составляют единый взаимообусловленный комплекс (Сукачев, 1972). В обозначении типов леса дается двойное название - родовое и видовое по признаку растительности. Родовое название соответствует лесообразующей породе, а видовое - домииантам напочвенного покрова, которые являются эдификаторами типов местообитаний. Тип леса соответствует ассоциации, а группа типов леса - группе ассоциаций[43, C. 75].

Классик российского лесоведения Г.Ф. Морозов еще в начале прошлого столетия в труде “Учение о типах насаждений” отмечал, что пт насаждений должен бьггь приурочеи к типу рельефа и к определенным почвенно-геологическим условиям (Морозов, 1970). Вопросам возможности использования при лесоустройстве ландшафтной основы для разделения территории иа таксационные выделы и проведения лесохозяйственных мероприятий посвящены работы отечественных лесоводов и географов (Громцев, 1992, Калашников, 1975,

Киреев, 1977, Столяров и др., 1992, и др.). Ряд исследователей особо подчеркивают ведущую роль лито генной основы, т.е. геолого-геоморфологических факторов (Шевченко, Шевченкова, 1989, Юнина, 1991), или непосредственно рельефа с его мезо- и микроформами (Седых, 1991), в формировании типов леса и пространственной структуры лесного покрова.

Наиболее консервативным компонентом ландшафтов, устойчивым в различных условиях окружающей среды, является рельеф. Именно по рельефу выделяются ландшафтные структуры и ландшафтные классификационные единицы в географии. Именно по элементам рельефа выделяются также границы почвенных ареалов различного таксономического уровня при почвенных съемках различного масштаба (Евдокимова, 1987). В нормальных естественных условиях развития существует строгая приуроченность конкретных лесных насаждений к определенным структурным частям ландшафтных систем. В этом отношении показательны результаты проведения лесоустройства в сосновых лесах казахского мелкосопочника на площади трех лесничеств (18 тыс. га) по методу участков. Основным диагностическим признаком типа леса было принято местопроизрастание в рельефе с учетом топографического положения, причем была разработана эколого-топографическая схема рядов типов леса. Благодаря хорошо разработанной классификации типов леса, которые легко выделялись на аэрофотоснимках, было признано, что нет необходимости в картировании почв, и оно не производилось (Грибанов, 1965). Таким образом, пространственная структура ландшафтов и функциональная ландшафтно-геохимическая сопряженность структурных частей ландшафтов (фаций, подурочищ, урочищ, сложных урочищ, местностей и т.д.) должны рассматриваться как определенные категории местопроизрастаний.

Для прикладных целей можно считать эквивалентными понятия “тип фации", “тип биогеоценоза” и “тип леса” (Волков, Громцев, и др., 1995). Близко к понятию биогеоценоз понятие элементарного ландшафта в геохимии ландшафтов (Глазовская, 1964).

Специальными исследованиями (Калашников, 1975, Калашников, Тетенькнн, 1975) было показано, что таксационные участки, выделяемые общепринятым в лесоустройстве способом, в большинстве случаев ие соответствуют природным территориальным комплексам (ПТК), так как при их выделении не учитывается структура ландшафта и границы природных комплексов. Согласование выделов и ПТК наблюдалось в незначительно измененных антропогенной деятельностью лесных насаждениях, причем по площадям и таксационным характеристикам фации и их сочетания соответствовали выделам, устанавливаемым по высшему разряду лесоустройства, а урочища - выделам, устанавливаемым при прочих разрядах лесоустройства (Калашников, 1975). Изменчивость древостоя по всем изученным таксационным характеристикам оказалась в несколько раз ниже в фациях, чем в выделах. Т.е. в фациях древостой оказался существенно однороднее, чем на традиционных выделах.

Детальный анализ показал, что ошибки оконтуривания границ древостоев в один выдел связаны прежде всего из-за недоучета реального рельефа и структуры ландшафтов при дешифрировании аэрофотоснимков. Дело в том, что полог леса имеет маскировочные свойства: ои не только скрывает рельеф поверхности земли, но н искажает его - чаще всего, сглаживая относительные превышения (Калашников, Тетеиькин, 1975). На основании этих работ делается вывод о большей объективности и универсальности ландшафтного метода выделения лесохозяйственных участков.

В последние десятилетия многие лесоводы пришли к выводу, что экологические и социальные функции лесов, структуру лесного фонда, рост и производительность лесов наиболее целесообразно рассматривать в пределах прнродно-обособлеииых комплексов - географических ландшафтов (Алексеевский, Келломяки, Любимов и др., 1998), В ВУЗах лесоводственного профиля существуют специальные курсы лекций и практических работ по дисциплине «Лесное ландшафтоведеиие» (Киреев, Сергеева, 2002). По сравнению с традиционными выделами в ПТК ранга фации происходят более упорядоченные процессы формирования, роста и развития древостоев, отмечается значительное снижение значений варьирования основных таксационных показателей - т. е., ландшафтный метод выделения лесохозяйственных участков имеет больше объективности и универсальности. В связи с этим исследования лесоводов для повышения качества лесоустройства направлены на использование многочисленных ландшафтных индикаторов для опознавания, классификации и лесорастительной оценки ПТК (Калашников, Киреев, 1977, Киреев, Сергеева, 1992,2002). Так в процессе ландшафтно-морфологической интерпретации для целей картографирования лесов предлагается (Киреев, Сергеева, 1992) вырабатывать ландшафтио-индикационные цепи типа-->форма рельефа --> состав отложений -->богатство условий произрастания --> глубина грунтовых вод --> лесное сообщество --> таксационные показатели древостоя.

Однако известны и трудности применения таких подходов для практических целей лесоустройства и лесопользования: отсутствие объективных количественных методов выделения ландшафтных единиц, особенно при крупномасштабных работах в равнинных лесах, когда требуется высокая точность определения границ первичных лесохозяйственных выделов.

Возможности автоматизированного выделения типов условий местопроизрастания древостоя

Ведущая роль рельефа в перераспределении тепла, влаги и формировании морфологической структуры ландшафта, является одним из основных положений учения о ландшафте. Таким образом, чтобы провести дифференциацию поверхности рельефа необходимо описать перераспределение рельефом геофизических полей гравитации и инсоляции, являющихся основными движущими силами системообразующих процессов в геосистемах. Для решения этих проблем могут быть использованы современные методы морфометрического анализа цифровых моделей рельефа с применением геоинформациокных систем (ГИС) и данных дистанционного зондирования (Сысуев, 2002).

В работе В.В. Сысуева, П.А. Шарого (2000) предложен метод выделения потенциальных типов условий местопроизрастания иа основе морфометрического анализа рельефа в геоииформационной системе. Цифровая модель рельефа строится по топографической карте или по материалам дистанционного зондирования при их стереофотограмметрическом дешифрировании. Установлено, что классификация рельефа иа зоны относительного выноса (автономные ландшафты) и зоны относительного накопления (подчиненные ландшафты) с использованием расчета кривизн поверхности рельефа может быть использовано для получения границ типов условий местопроизрастания. В ряде случаев для детализации метод кривизн требует дополнения другими морфометрическими величинами, например, такими как углы наклона склонов, морфометрических показателей водосборных бассейнов и др. Совмещение карт морфометрических показателей рельефа с имеющейся лесотаксациоииой информацией способствует более обоснованному назначению лесохозяйственных мероприятий и рациональному использованию насаждений. Главные достоинства этого метода: объективность, физическая обоснованность анализа типов условий местопроизрастания, возможность выполнения в подготовительный, до полевой период лесоустроительных работ, автоматизация вычислений, использование ГИС-технологий и методов дистанционного зондирования (Сысуев, Шарый, 2000).

Система морфометрических величин и их геофизический смысл

Морфометрические величины (МВ) применяются в почвенных, гидрологических и других физико-географических исследованиях достаточно давно. Вопросам анализа применения морфометрических методов в различных задачах посвящено достаточное количество обобщающих работ (Evans, 1981, Florinsky, 1998, Сысуев, Шарый, 2000, Wilson, Gallant, 2000, и др.). В геоморфологии при крупномасштабных исследованиях, как правило, используются высота абсолютная и относительная, углы наклона склонов и их экспозиция, площади занятые формами рельефа и некоторые другие (Симонов, 1998). В связи с использованием ГИС все чаще рельеф исследуется иа основе расчета обобщенных характеристик, таких как градиент и лапласиан. Одиако для выделения границ геосистем, описания процессов функционирования ландшафтов, описания энергетических характеристик выделенных ландшафтных структур, необходим пространственный анализ системы морфометрических величин, раскрывающих механизмы перераспределения рельефом геофизических полей. Прежде всего, надо обосновать выбор МВ и алгоритмов расчета, а также сгруппировать их в соответствии с возможностью использования для описания распределения геофизических полей и процессов переноса.

С точки зрения обоснования выбора МВ отметим работу П.А, Шарого (Shary, 1995), в которой проведена классификация переменных и элементов земной поверхности с точки зрения поля гравитации и строгого обоснования полноты системы кривизн, проведены доказательства обобщающих теорем, обеспечивающих описание механизмов перемещения и аккумуляции сыпучих и жидких веществ по поверхности под действием силы тяжести и хд. Система МВ включает: 1) высоту (исходные данные); 2) локальные МВ, выражающиеся через первые производные; 3) локальные МВ, выражающиеся через первые и вторые частные производные, включая полную систему кривизн земной поверхности; 4) кривизну горизонталей к линий тока, не вошедшие в полную систему кривизн. Формулы расчета этих МВ приведены в табл. 1. В систему МВ входят также: 5) трн известные глобальные МВ: удельная площадь водосбора и удельная дисперсивиая площадь, а также доза солнечной радиации.

Наиболее "зрительная11 карта ориентации склонов, которая отображает структуру плоской равнинной территории и характеризует распределение склонов северных и южных экспозиций, отображая перераспределение солнечной радиации и тепла. Ориентация склонов представлена в виде отсчитываемого в градусах от северного направления по часовой и против часовой стрелки азимута направления склона. Таким образом, значения восточной и западной экспозиции оказываются равными, и тем самым подчеркиваются различия южной и северной составляющих экспозиции.

Крутизна склонов есть количественная мера максимальной скорости убывания высоты в гравитационном поле. Она рассчитывается по известным формулам через первые частные производные высоты (табл. 3), Поверхностный сток по земион поверхности происходит под действием тангенциальной к земной поверхности составляющей силы притяжения, которая пропорциональна фактору крутизны (табл. 3), а не крутизне (Shary, 1995).

Первый механизм аккумуляции связан со сближением потоков: на одних участках поверхности лннин тока могут сближаться, а на других - расходиться. Количественной мерой расхождения является дивергенция линий тока; там где дивергенция отрицательна, линии тока сближаются, где положительна - расходятся. В связи с этим было доказано (Шарый, 1991), что дивергенция линий тока равна плановой кривизне кр земной поверхности, которая равна кривизне горизонтален, наделенной соответствующим знаком. Это и есть основание для количественного описания первого механизма аккумуляции.

Карта горизонтальной кривизны земной поверхности kh отвечает по смыслу карте отрогов холмов. Впервые понятия отрогов и террас связал с понятиями горизонтальной и вертикальной кривизны земной поверхности американский почвовед Аандаль (Aandahl, 1948), с тех пор эти представления многократно цитируются в литературе. Различают выпуклые (kh>0) и вогнутые (kh<0) отроги; первые показаны иа карте горизонтальной кривизны светлым, вторые - темным. В вогнутых отрогах линии тока (и потоки других мигрантов) сближаются, формируя области конвергенции; на выпуклых отрогах - в областях дивергенции - они расходятся. Аккумуляция потоков мигрирующих по земной поверхности веществ за счет сближения в вогнутых отрогах называют первым механизмом аккумуляции.

Второй механизм аккумуляции связан с относительным замедлением потоков. На вогнутых по профилю участках склонов крутизна уменьшается сверху вниз. Расположенные выше части склона круче, поэтому находящиеся там частицы могут двигаться быстрее расположенных ниже. Вследствие этого, потоки испытывают относительное замедление на одних участках поверхности, н относительное ускорение - иа других.