Экологический мониторинг лесов нп «Куршская коса» на основе аэрокосмических методов и гис-технологий.

Одной из приоритетных задач, возложенных на национальные парки действующим законодательством, является организация и ведение экологического мониторинга с целью сохранения и/или восстановления нарушенных природных комплексов , уникальных и эталонных природных объектов и участков. Национальным паркам отводится особая роль при организации мониторинга как экспериментальным объектам для опробования экологического подхода к его ведению.

В задачи экологического лесного мониторинга национальных парков входит оценка современного состояния лесных экосистем и выявление их изменений с течением времени под вличнием естественных природных процессов и различных форм хозяйственного использования территории.

Уровни ведения экологического мониторинга лесов, то есть детальность наблюдений, а так же его периодичность определяется спецификой наблюдаемых объектов. Для национальных парков, как особо ценных лесных территорий, требуется достаточно высокая детальность наблюдений и оперативность получаемых данных. В значительной степени этим требованиям в качестве источников информации отвечают материалы аэрокосмических съемок, включая съемку с воздушных носителей.

В систему дистанционного мониторинга лесов аэросъемка занимает среднюю ступень между космической информацией и наземными наблюдениями. Определение места аэроинформации в значительной степени диктуется площадью территории, на которой организуют систематические наблюдения. Площаьд национального парка «Куршская коса» составляет 7,9 тыс.га. Следовательно, имеет смысл организация трехступенчатого мониторинга: первая ступень — космическая съемка, вторая — самолетная съемка (обзорный и детальный уровни), третья ступень — наземные наблюдения.

При организации экологического мониторинга НП «Куршская коса» космическая съемка использована для создания базового изображения со схемой дешифрирования котегорий земель лесного фонда. В дальнейшем по «свежим» снимкам будет фиксироваться динамика земель во времени. Особенно важно это делать после стихийных бедствий (например, ураганные ветры на полуострове Куршская коса в 1999-2000 годах) и значительных антропогенных воздействий.

Сформированы следующие методологические принципы для организации мониторинга по материалам космической съемки:

• Принцип дифференцированности распространяется на общую организацию системы мониторинга в парке, выбор отдельных видов мониторинга — типичных или специальных и на методы ведения — универсальные и специальные;

• принцип избирательности позволяет, исходя из целевой установки мониторинга, основываться на таком экологически целесообразном варианте, который позволяет получить общее представление о сохранности и динамике экосистем по агрегированным показателям или детально обследовать часть территории с аномальными значениями этих агрегированных показателей;

• при планировании системы наблюдений следует руководствоваться принципом стратифицированной выборки, в соответствии с которым осуществляется разбиение объекта на долговременные единицы наблюдений, в пределах которых определяются агрегированные или детальные показатели. Для НП «Куршская коса» использован принцип стратификации в двух вариантах. Первый основан на деление территории на функциональные зоны и подзоны, которые различаются по целевому назначению и нормативам проведения лесоводственных, биотехнических, организационно-технических мероприятий; второй предусматривает использование квартальной сети, традиционно поддерживаемой при ведении лесного хозяйства и хорошо опознаваемой в натуре.

С помощью аэросъемки можно оперативно располагать достоверными сведениями о реальном состоянии лесных объектов, включая количественные и качественные показатели. Таким образом, имеется возможность актуализации данных мониторинга как по отдельным участкам национального парка, так и в целом по парку, лесничествам, функциональным зонам и т. д. (путем интерполяции данных).

Опыт использования материалов аэросъемки для НП «Куршская коса» позволяет ее место и роль в системе мониторинга:

• экологический мониторинг лесов включает как задачи получения пространственной информации о распределении площадей категорий земельного фонда и их динамике во времени, так и задачи определения качественных и количественных характеристик объектов наблюдений. Решение этих задач может быть достигнуто на основе получения дистанционной информации двух масштабных уровней: обзорного, позволяющего оценить состояние участков насаждений, и детального, для оценки состояния кроны каждого дерева;

• систему показателей целесообразно строить на принципах относительных едениц, как наиболее оперативно и полно отражающих изменение площадей категорий земель в пространстве и во времени;

• среди самолетных видов съемок в настоящее время особое значение имеют цифровые съемки, готовые для компьютерной обработки и обладающие рядом несомненных достоинств, среди которых — положение изображения с хорошей разрежающей способностью;

• для целей ведения экологического мониторинга лесов НП «Куршская коса» аэросъемку целесообразно применять, по крайней мере, в трех направлениях:

1. . как пространственную информацию для совмещения с планово-картографическими материалами и аэрокосмическими изображениями с целью их совместного анализа;

2. . как материал для накопления информации во времени лоя последующих сравнений и определения динамики характеристик объектов лесного мониторинга;

3. . как объективную основу для получения экологических показателей, характеризующих объекты лесного мониторинга.

По-настоящему широкие перспективы для организации дистанционного мониторинга открылись с появлением цифровых камер и развилие и широким распространением геоинформационных технологий. Теперь все основные операции по обработке данных съемки перенесены на компьютеры, а результаты обработки погружаются в ГИС-среду. Это подкрепляется и развитием програмного обеспечения: специальные пакеты для работы с данными дистанционного зондирования включают все более развитые функции ГИС, а классические ГИС, рассчитанные на работу с векторными данными, активно развивают средства для работы с растровыми моделями.

Обобщим основные принципы методического подхода к использованию материалов съемки.

• Как получение, так и обработка материалов производится в цифровом формате с помощью цифровых камер и компьютеров.

• Сами изображения, результаты их интерпретации и получаемые по ним показатели используют с составе пространственных и атрибутивных баз данных ГИС в виде отдельных слоев (таблиц) или дополнительной информации.

• При компьютерной обработке изображений используют разные методы дешифрирования: контурное (фиксация положения, формы, границ площадных объектов), идентификационное (получение качественных характеристик объектов), объективное (ориентировано на получение индивидуальных характеристик объектов наблюдения), тематическое (связано с разделением территории на классы, категории объектов). Результаты первых трех методов наиболее просто включать в ГИС в виде векторной базы данных — точечных, линейных, площадных объектов. Результаты тематического дешифрирования, напротив, более удобно представлять в растровом формате — распределение по категории классов объектов (например, типов леса).

• В ГИС для ведения мониторинга лесных экосистем НП «Куршская коса» наряду с материалами съемки включена информация другого типа. Это топографические карты, планово-картографические материалы лесоустройства, тематические карты, таксационные базы данных, материалы наземных материалов и другие. Эти данные используют в процессе интерпретации аэроинформации и при их совмещенном анализе.

• Методы автоматизации тематической обработки дистанционной информации (автоматизированных классификаций) целесообразно применять не для получения окончательного результата, а на этапе анализа данных. Главное и окончательное решение по интерпретации изображения принимает эксперт.

• Для обработки аэроизображений могут быть применены фотограмметрические методики, обеспечивающие выполнение точных геометрических измерений на снимких, в том числе отдельных таксационных характеристик древостоя. С развитием методов цифровой фотограмметрии на компьютерах они стали доступны широкому кругу пользователей.

• Материалы аэросъемки могут использоваться в среде ГИС в качестве растровой подложки векторной базы данных с целью увеличения ее наглядности. Такой подход, в частности, касается обзорной видеосъемки. При этом образуется весьма полезная информация, особенно интересная при решении задач посвещения и экологического обучения в национальном парке.

При ведении мониторинга лесов в общий цикл работ необходимо включать наземные обследования. Это целесообразно делать, как минимум, по двум причинам:

а) с целью расширения информазионной базы мониторинга, т. к. аэрокосмические методы не охватывают всего разнообразия показателей состояния природной среды;

б) для повышения качества и точности интерпретации аэроинформации за счет тренировки исполнителей и введения в дешифровочные данные ошибок, определенных при сравнении дешифровочных и наземных показателей.

Многие показатели оценки состояния насаждений и их динамики не могут быть определены без натурных обследований. Интерпретация детальных аэросъемочных материалов и видеопроб не позволяет выявить такие характеристики как прирост насаждений по высоте и диаметру, изменение породного состава возобновления, изменение категории санитарного состояния, причины ухудшения лесопатологического состояния (поврежденность энтомо- и фитовредителями, механические повреждения и пр.) и ряд других.

Из типовых видов мониторинга, предлагаемых для национальных парков, для НП «Куршская коса» характерно три: лесопатологический — для наблюдения за насаждениями, подвержеными воздействию вредителей и болезней; лесохозяйственный, имеющий целью слежение за изменение в лесном фонде в результате выполнения лесохозяйственных мероприятий; рекреационный, предназначен для обнаружения изменений (или их отсутствия) в лесном фонде в местах массового отдыха. Прочие виды мониторинга этого парка могут быть отнесены к специальным. Это мониторинг защитного пляжного дюнного вала, мониторинг состояния растительности высоких дюн и мониторинг состояния прибрежной растительности акватории Куршского залива.

Целью лесопатологического мониторинга является своевременное обнаружение неблагополучных по состоянию участков леса, выявление ослабления и усыхания лесов под влиянием стихийных бедствий и промышленных выбросов, вредных насекомых, болезней и других факторов.

Состояние отдельных деревьев и насаждений, а так же степень их поврежденности и усыхания оценивают по экологически обоснованным шкалам.

Оценка лесопатологического состояния насаждений тестовых участков национального парка была проведена по следующей методике. По обзорным изображениям оценивали насаждения разной степени поврежденности (в слабой степени — до 25% поврежденных деревьев в пологе, в средней степени — от 25 до 50, в сильной степени — от 50 до 75, в сплошной степени — свыше 75% поврежденных деревьев в пологе). По детальным изображениям оценивали кроны отдельных деревьев разных пород, дифференцированные по лесопатологическому состоянию (слабая степень повреждения — до 25% кроны дерева повреждено, средняя степень — от 25 до 50, сильная степень — от 50 до 75, сплошная степень — свыше 75% кроны дерева повреждено).

Определение категорий санитарного состояния основано на использовании цветовых сочетаний, анализе формы и состояния крон хвойных деревьев в плановом и перспективном вариантах детальной аэросъемки. При этом выявлены следующие дешифровочные признаки этих деревьев разных категорий:

1. Здоровые — без внешних признаков ослабления, с равномерно зеленой плотной кроной;

2. Ослабленные — слабоажурной кроной, желтовато-зеленой хвоей;

3. Сильно ослабленные — с ажурной кроной, зеленовато-жестой хвоей, суховершинные;

4. Усыхающие — с сильно ажурной кроной, желтой хвоей, сухокронные;

5. Свежий сухостой — с серо-бурой хвоей, с просматривающимся стволом;

6. Стврый сухостой — без хвои, часть ветвей осыпалась, четко виден ствол.

Использование аэросъемки в плановом и перспективном вариантах позволяет проводить оценку лесопатологического и санитарного состояния насаждений и давать рекомендации по проведению в них лесохозяйственных мероприятий.

Лесохозяйственный мониторинг имеет целью организацию системы наблюдений и учета текущих изменений в лесном фонде национального парка, вызванных воздействием природных и антропогенных и хозяйственных мероприятий.

Определенно несколько направлений применения аэроинформации:

• актуализация данных лесоустройства;

• контроль за выполнением лесохозяйственных мероприятий;

• оценка последствий рубок ухода;

• выявление лесонарушений (самовольные порубки и т. п.);

• обследование естественного возобновления и состояния лесных культур;

• обследования лесов в зонах интенсивной и регулируемой реакции.

Рекреационыый мониторинг. В летний период лесные массивы НП «Куршская коса» подвергаются интенсивному рекреационному воздействию. В качестве показателей, характеризующих рекреационную нагрузку на лесной биогеоценоз, многие исследователи предлагают использовать процент вытоптанности поверхности почвы и среднюю категорию повреждения поверхности почвы, как факторы, отражающие количественную и качественную стороны влияния рекреации на лес. Кроме того, увеличение вытоптанности приводит к уменьшению густоты подроста, снижению проективного покрытия подлеска и травяного покрова, уменьшению их видового разнообразия.

Исследования, выполненные в ряде регионов в лесных массивах, активно используемых в рекреационных целях, свидетельствуют, что с увеличением рекреационной дегрессии средние диаметры ствола и кроны возрастают, но уменьшается количество деревьев на 1 га.

Использование аэросъемки не позволяет выявить стадии дегрессии лесных биогеоценозов, традиционно определяемые при ландшафтной таксации леса, а так же предлагаемые в литературе. Дешифровщик обследует верхний полог насаждений, это наиболее устойчивый к рекреационному воздействию элемент растительности. Он изменяется при необратимой стадии рекреационной дигрессии. Таких лесных массивов на Куршской косе обнаружено не было. В связи с этим при ведении рекреационного мониторинга лесов большое значение имеет организация наземных наблюдений путем закладки постоянных пробных площадей и пунктов наблюдений.

В зонах активного отдыха и интенсивной рекреации материалы детальной аэросъемки позволили обнаруживать деревья с неблагополучным лесопатологическим состоянием и уточнить их пространственное расположение. Для слежения за изменениями лесной среды и состоянием древесно-кустарниковой и травянистой растительности были организованы пункты наблюдений во всех зонах рекреации.

Для ведения рекреационного мониторинга целесообразно использовать аэроинформацию всех уровней наблюдений и данные наземной видео- и фотосъемки, иллюстрирующие специфику изменения лесного покрова, эрозионные процессы и лесопатологическое состояние отдельных деревьев.

Мониторинг защитного пляжного дюнного вала. Этот вид мониторинга имеет целью организацию системы наблюдений за состоянием самого вала как элемента рельефа, а так же древесно-кустарниковой и травянистой растительности на нем.

Ведение мониторинга защитного пляжного дюнного вала в НП «Куршская коса» основано на использовании аэроинформации всех уровней детальности и в качестве дополнения к этому — данных наземной видео- и фотосъемки. Аэроинформации обзорного уровня использована для пространственной привязки тестовых объектов.

На материалах детального уровня наблюдений зафиксированы:

• полоса пляжа;

• полоса оползней;

• участки рекреационной эрозии;

• участки с древестно-кустарниковой растительностью и развитым травяным покровом;

• участки, где ведутся лесокультурные работы с поздравлением по стадиям заращивания (клетки из хвороста, травяной покров, травянисто-кустарниковая растительность, древесно-кустарниковая растительность).

Данные наземной видео- и фотосъемки и пробной площади использованы для уточнения характеристик выделенных участков.

Растительность защитного пляжного дюнного вала представлена в основном сосной горной и лиственными кустарниками: барбарисом, рябиной, березой. Значительная часть деревьев сосны находится в угнетенном состоянии: 33% сосновых деревьев имеют 2 — 6 категории санитарного состояния. Наземные обследования выявили наличие сухостойных куртин сосны.

Растительность защитного пляжного дюнного вала находится в экстремальных природных условиях: постоянные сильные ветры, разрушительные морские волны в осенне-зимний период, значительная амплитуда колебания дневных и ночных температур летом, легко разрушаемый слой бедных почв на песках и др. Немаловажное значение имеют высокие рекреационные нагрузки, особенно в летний период, приводящие местами не только к повреждению растительного покрова, но и к нарушению рельефа.

Для наблюдения за динамикой происходящих процессов выбраны показатели площади различных классов экологического состояния защитного вала в пределах одного квартала. На уровне аэронаблюдений мониторинг за динамикой изменения соотношения площадей этих классов целесообразно осуществлять в рамках традиционной в лесном хозяйстве учетной единицы — квартала.

Активная динамика природных комплексов защитного дюнного вала приводит к выходу о необходимости ведения достаточно частых наблюдений для этого вида мониторинга. На начальном этапе разработки системы можно предложить следующую переодичность: наземные наблюдения проводить ежегодно, а аэросъемку разных уровней детальности — один раз в 2 — 3 года.

Мониторинг состояния растительности высоких дюн. Слежение за состоянием растительности высоких дюн, районирование этих территорий, восстановление участков погибшей древесно-кустарниковой растительности, посадка новых культур — важные задачи начионального парка. С этой целью по аэроинформации обзорного уровня были определены разновидности высоких дюн по степени из заращивания древесно-кустарниковой и травянистой растительностью:

• белая дюна (песок);

• серая дюна (дюна, поросшая травянистой растительностью с разной степенью проективного покрытия);

• переходная форма от серой дюны к зеленой: серо-зеленая дюна (поросшая травянистой растительностью, куртинами кустарников, участки лесных культур);

• зеленая дюна (насаждения искусственного происхождения).

Анализ соотношения площадей этих однородных участков (страт) внутри квартала, выполняемый с определенной периодичностью, мог бы выявить тенденции облесения на обследуемых территориях.

На детальном уровне наблюдения выделены более мелкие градации внутри страт: переходные формы от белой к серой дюне (серо-белая), участки с разной сохранностью лесных культур, участки погибших сосновых культур.

Выполнен подсчет количественных показателей густоты лесных культур и определение их санитарного состояния. Около 40% подроста отнесено к 2 — 3 категориям санитарного состояния, значительную площадь занимают погибшие культуры. Это свидетельствует о необходимости ведения регулярного мониторинга состояния лесных культур и выполнения лесохозяйственных мероприятий, обеспечивающих их сохранность и восстановление.

Результаты интерпретации аэроинформации разных уровней детальности, натурные работы и анализ наземной видео- и фотосъемки позволяют предложить следующие методические подходы при ведении мониторинга состояния растительности высоких дюн:

• обзорная аэроинформация используется для пространственной привязки данных;

• аэроинформация детального уровня позволяет выявить неблагоприятные по состоянию древесно-кустарниковой растительности участки, выполнить их контурное и аналитическое дешифрирование;

• видеопробы и крупномасштабные пробы дают возможность провести количественный подсчет хвойного возобновления и уточнить информацию об участках лесных культур, требующих дополнения;

• при ведении данного мониторинга наземные наблюдения особенно необходимы, так как позволяют выявить санитарно-лесопатологическое состояние лесных культур, что невозможно определить с помощью аэросъемки, даже высокой степени детальности.

Мониторинг состояния прибрежной растительности акватории Куршского залива. Сохранение участков нерестилищ рыб и местообитаний водоплавающих птиц и животных — важная природоохранная функция парка. Этим продиктована необходимость постоянного слежения за состоянием прибрежной водной растительности и организации специального вида мониторинга.

На кадрах обзорной аэроинформации определено пространственное расположение прибрежной водной растительности. Информации детального уровня позволила определить 3 класса травяной растительности. Сведения о ее составе были получены в процессе визуальных обследований береговой полосы вдоль Куршского залива со стороны акватории (с борта катера). Визуальные наблюдения подтвердили предварительную информацию о том, что водная растительность достаточно консервативна и в отсутствии чрезвычайных обстоятельств меняется мало. Натурные обследования показали, что выявленные 3 класса травяной растительности представлены двумя видами тросника — черным и зеленым и ситником обыкновенным.

Для ведения мониторинга состояния прибрежной водной растительности акватории Куршской косы целесообразно придерживаться таких методических приемов:

• обзорную аэроинформацию использовать для пространственной привязки;

• учет растительности вести, придерживаясь определенной учетной единицы — квартала;

• по детальной аэроинформации выявлять видовой состав растительности и уточнять границы контуров;

• использовать видеопробы при ведении этого вида мониторинга рекомендуется только для участков особого режима, определяемых специалистами — ихтиологами и охотоведами ( нерестилища ценных рыб, местообитания редких птиц и животных);

• для ведения динамики происходящих процессов наблюдения проводить один раз в 2 — 3 года.

Мониторинг последствий урагана — яркий пример формирования специальных видов мониторинга в связи с чрезвычайными обстоятельствами, возникшими из-за стихийных бедствий или антропогенных перегрузок. Для наблюдения за состоянием насаждеий, поврежденных в результате урагана в декабре 1999 — январе 2000 г. были использованы материалы цифровой аэрофото-съемки обзорного уровня, результаты рекогносцировочных обследований и данные наземных наблюдений.

Дешифрирование поврежденных насаждений по материалам аэросъемки позволило выделить три класса нарушения полога:

1. с единичным, реже групповым повреждением деревьев и с ненарушенной или с незначительно нарушенной целостностью основного полога;

2. с групповыми и куртинным вывалом и повреждением деревьев, в результате которого местами образовались небольшие прогалины или произошло общее и значительное снижение сомкнутости основного полога;

3. с массовым вывалом и сломом деревьев на значительной площади, сопоставимой с размерами выдела или нескольких выделов, в результате которых произошло полное разрушение древостоя и сохранилась меньшая часть деревьев.

Ведение экологического мониторинга лесов целесообразно осуществлять на основе функционирования географической информационной системы (ГИС) с базами данных пространственных объектов. В основе организации ГИС лежит принцип послойного построения картографической информации. Смысл его заключается в том .что разнообразная информация организуется в виде серии тематических слоев, каждый из которых содержит сведения, относящиеся к этой теме. Отдельные слои данных могут относится к одной тематике, но к разным переодам во временной шкале.

ГИС для ведения мониторинга — постоянно развивающаяся система. К настоящему времени ГИС мониторингов лесов НП «Куршская коса» включает следующие тематические картографические слои:

• топографическая основа;

• космический снимок;

• планово-картографические материалы лесоустройства;

• схема функционального зонирования территории НП;

• схема зонирования парка по видам мониторинга;

• аэроизображение обзорного уровня;

• аэроизображение детального уровня;

• результаты интерпретации изображения обзороного уровня;

• результаты интерпретации изображения детального уровня;

• схема размещения постоянных пробных площадей и пунктов наземных наблюдений.

Для пространственной организации системы мониторинга, установления периодичности наблюдений и ведения ГИС используется схема функционального зонирования парка, т. к. к зонам приурочены основные категории объектов наблюдений, направления хозяйственной деятельности и виды нарушений в лесном фонде. Для Зеленоградского лесничества НП «Куршская коса», на основе совместного обзорной аэроинформации и схемы функционального зонирования, выделено пять зон по преобладающим вижам мониторинга:

1. лесопатологический и лесохозяйственный мониторинг;

2. рекреационный мониторинг;

3. мониторинг защитного пляжного дюнного вала;

4. мониторинг состояния растительности высоких дюн;

5. мониторинг состояния прибрежной растительности акватории Куршского залива.

Особенность ГИС для организации и ведения аэрокосмического мониторинга закличается в следующие положениях:

• в стректуре ГИС необходимо предусматривать слои для наполнения их дистанционной информацией разных уровней, при этом программное обеспечение непременно должно включать блокидля обработки изображений как с целью оптимизации их спектральных характеристик, так и для решения задач тематического дешифрирования;

• программное средство должно обеспечивать работу с большими объемами растровой информации;

• тематические слои, содержащие аэроизображения как обзорного, так и детального уровней, при ведении мониторинга должны накапливаться, а программное обеспечение — содержать функции, позволяющие производить их совмещение и анализ;

• программная оболочка ГИС должна включать функции совмещения как всех картографических слоев вместе, так и в заданном сочетании, а так же получения по запросам информации из баз данных.

В качестве программного продукта для ГИС НП «Куршская коса» используется программное обеспечение,предназначенное для работы с пространственной информацией. Не следует забыть, что важную роль в нем играют блоки обработки данных дистанционного зондирования и баз атрибутивных данных.

В связи с этими особенностями, а так же с учетом того, что аэроинформация, являющаяся основой созданой ГИС, представлена в растровом формате, была использована многоступенчатая обработка данных с использованием нескольких программных продуктов: