Информац_технологии_Черных_2000

- 201 -

Рис. 6.21. Возрастная структура насаждений при разных сценариях моделирования динамики древостоев

Пространственная структура

Распределение выделов модельного объекта по размерным классам площадей показывает преобладание выделов небольшой площади (рис. 6.21). Кроме того, для каждого размерного класса был вычислен индекс породного разнообразия. Этот индекс рассчитан как отношение площади смешанных насаждений к площади чистых насаждений. Снижение значения этого индекса отражает уменьшение разнообразия. Сравнение состояния лесных массивов при имитации различных видов лесохозяйственного использования показывает, что проведение рубок главного пользования в сочетании с рубками ухода приводит к снижению значений индекса породного разнообразия (рис. 6.22).

- 202 -

Размерные классы

Рис. 6.22. Распределение площадей выделов (N) и индекса породного разнообразия на 10 шаге моделирования

Полнотная структура

Исследование динамики площадей с разной полнотой насаждений на 0, 5 и 10 шагах моделирования показало, что при разных сценариях достигается разное соотношение площадей, занятых древостоями разной полноты. Большее структурное разнообразие наблюдается для первого сценария, в котором были смоделированы только рубки главного пользования без рубок ухода (ГП - в легенде рисунка). Второй сценарий, в котором были смоделированы рубки главного пользования в сочетании с рубками ухода (РУ - в легенде рисунка), приводит к преобладанию в лесном массиве насаждений с полнотой 0.6 - 0.7.

Ярусная структура

Для исследования ярусной структуры были посчитаны доли площадей модельного объекта, занятые выделами с разной вертикальной структурой древостоя. Были просуммированы площади выделов с одним, двумя (отдельно - для выделов с первым и вторым ярусами и для выделов с первым и третьим ярусами) и тремя ярусами. Просчитаны их доли от общей площади, покрытой лесом. Отмечено, что второй сценарий лесохозяиственных мероприятий (рубки главного пользования в сочетании с рубками ухода) постепенно приводит к большему разнообразию вертикальной структуры лесных экосистем (рис. 6.23).

Ярусная структура

- 203 -

Рис. 6.23. Ярусная структура древостоев модельного объекта на разных шагах моделирования

Таким образом, применяя методы математического моделирования для построения прогноза динамики древостоев, можно учитывать экологические последствия планируемых лесохозяиственных мероприятий, т.е. получать оценку эффективности проектируемых лесохозяиственных мероприятий для моделируемой территории с позиций сохранения биоразнообразия. Представленная информационная технология помогает предвидеть и объяснять причины изменения биоразнообразия лесных экосистем, моделировать последствия разных сценариев лесохозяйственной деятельности, получать прогноз влияния отдельных заповедных участков или участков с особым режимом использования на поддержание биоразнообразия всего лесного массива. Кроме того, описанный программный комплекс может послужить инструментом анализа нормативов ведения лесного хозяйства с точки зрения сохранения биоразнообразия.

6.3. Выделения потенциальных типов условий местообитания

6.3.1. Ландшафтно - лесоводсгвенное обоснование постановки задачи

В последние десятилетия интенсивное развитие получили методы построения трехмерного анализа цифровой модели местности (Digital Terrain Model - DTM) при проектировании на местности различных сооружений и коммуникаций. Бурное развитие этого направления привело к тому, что развитые современные ГИС имеют блоки построения и некоторого анализа цифровых моделей рельефа. Цифровая модель рельефа может быть построена по топографической карте или по аэрокосмоснимкам при их стереофотограм-метрическом дешифрировании. Использование DTMb ГИСтехнологиях позволяет не только геодезически точно привязывать объекты к местности, но и рассчитывать объемы земляных работ, проводить анализ воздействия на объекты различных природных и антропогенных факторов, проводить экологическую экспертизу воздействия объектов на окружающую среду и т.д. Методы DTM становятся серьезным инструментом при проектировании различных территориальных мероприятий.

Основным методом лесоустройства является метод классов возрастов, а

-204 -

влесах с особо высокой интенсивностью ведения лесного хозяйства - участковый метод. Недостатки традиционных первичных ле сохозяйственных учетных единиц выделов, получаемых на основе метода классов возрастов, хорошо известны и обусловлены, главным образом, отсутствием жесткой привязки к местности и меняющимися границами в процессе лесопользования и лесовосстановления [4]. "Участковый метод лесоустройства заключается в образовании постоянных хозяйственных участков, представляющих собой один или совокупность таксационных выделов, которые хотя и могут отличаться по таксационной характеристике насаждений, но территориально объединены общностью типа лесорастительных условий, целью лесовыращивания и соответствующей направленностью комплекса проектируемых мероприятий" [32]. Для проведения лесоустройства по участковому методу требуется выполнение до начала лесоустроительных работ специального почвенно-типологического обследования с составлением почвенной карты, а также схемы типов лесорастительных условий и групп типов леса. Это требование ввиду высокой трудоемкости, необходимости наличия почвенно-аналитической лаборатории и специалистов (почвоведов) ограничивает реальное использование участкового способа в практике лесоустройства. Тем не менее

в60 - 70 годы был накоплен определенный опыт по проведению лесоустройства этим методом в Литве, Казахстане, Московской, Ленинградской областях и некоторых других регионах. Этот опыт был обобщен на кафедре лесной таксации и лесоустройства Ленинградской лесотехнической академии (Байтин и др., 1967).

Для широкого внедрения данного метода лесоустройства и организации лесного хозяйства необходимы более простые, оперативные и, по возможности, не требующие полевых исследований (т.е. осуществимые в подготовительный период) методы выделения и привязки типов лесорастительных условий к местности. По-видимому, реальным подходом к такому выделению типов лесорастительных условий могут стать современные численные методы анализа рельефа с использованием геоинформационных систем и методов дистанционного зондирования.

ГФ. Морозов, классик отечественного лесоводства, еще в начале текущего столетия в своем труде [54] перечислял важнейшие фак-торы- лесообразователи, которые обуславливают лесоводственные свойства насаждений, в следующей последовательности: 1) климат, 2) почвенногеологические условия, 3) рельеф, 4) лесоводственные свойства пород и 5)вмешательство человека.

"Тип насаждений, стало быть, должен быть приурочен к определенной климатической обстановке, затем к типу рельефа и к определенным почвенно-геологическим условиям" [54, т. 2, с. 60-61]. "Разделение (типов насаждений) должно быть произведено по условиям рельефа и почвенногрунтовым признакам" [там же, с. 77].

Анализируя применение шкал бонитетов для различных реальных насаждений, ученый отмечал: "При таких условиях выход один: выделение

- 205 -

участков (таксационных) по условиям местопроизрастания, по ним непосредственно, а не по их отражениям в составе, высоте и пр." [54, т. 2, с. 77]. Эти важнейшие положения не только остались не реализованными в широкой практике лесоустройства и лесопользования, но и оказались забытыми в лесной науке. Например, современный учебник по лесной таксации [3] дает следующие понятия: "Тип леса дополняет таксационное описание характеристикой природной обстановки"(с. 263), а таксационные участки выделяют, "если: 1) в двух смежных насаждениях преобладают разные древесные породы; 2) разница в составе древостоя равна двум и более десятым единицы; 3) в возрасте преобладающей породы спелых и перестойных насаждений имеется разница на два класса возраста, а у насаждений остальных возрастных категорий - на один класс; 4) условия местопроизрастания различаются на один класс бонитета; 5) разница в полноте составляет две десятых; 6) разница между средними диаметрами ..." (с. 508) ит.д. ит.п.

Вопросам возможности использования при лесоустройстве и лесопользовании ландшафтной основы, которая могла бы служить жестким каркасом для проведения разнообразных и разнонаправленных лесохозяйственных мероприятий, посвящен ряд работ отечественных лесоводов и географов (Волков и др., 1990, 1995; Грибанов, 1960,1965;Громцев, 1992; Калашников, 1975; Тетенькин, 1975; Киреев, 1973, 1977; Столяров идр., 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, 1990) в формировании типов леса и пространственной структуры лесного покрова. В этом отношении весьма 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).

Лесная растительность в нормальных естественных условиях произрастания очень тесно взаимосвязана с другими компонентами ландшафтов (климат, рельеф, почвы), которые собственно и определяют формирование условий местопроизрастания. Другими словами, в естественных условиях существует строгая приуроченность конкретных лесных насаждений к определенным структурным частям (элементам) ландшафтных систем. Таким образом, пространственная структура ландшафтов и функциональная ландшафтно-геохимическая сопряженность структурных частей ландшафтов (фаций, подурочищ, урочищ, сложных урочищ и т. д.) должны рассматриваться как определенные категории лесных

- 207 -

лесохозяйственных участков (Калашников, 1975).

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

Краткий обзор показывает: какую бы дифференциацию природнотерриториальных систем мы не рассматривали, все они основаны на выделении элементарных (не делящихся далее) пространственных систем, выделение которых напрямую (или косвенно) связано с выделением элементов рельефа земной поверхности. В этом проявляется объективно определяющая роль рельефа в дифференциации местообитаний. В связи с этим опыт, накопленный в геоморфологии и, в частности, в морфометрии рельефа, может быть полезным и в лесоводстве. Реальным подходом к решению этих проблем становятся современные автоматизированные методы морфометрического анализа цифровых моделей рельефа с использованием геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования.

6.3.2. Методика обработки данных

Автоматизированный анализ цифровой модели рельефа местности применен на конкретном примере леспаркхоза "Горки" в целях выбора объективных морфометрических классификационных параметров и оценки возможности их использования в лесном хозяйстве. Подробное описание объектов исследования, природных условий, истории развития насаждений можно найти в работе [78]. При постановке задачи формализации морфометрического анализа рельефа, методов расчета и обоснования выбора расчетных параметров, обзора применения в ландшафтных исследованиях мы опирались на собственные материалы, а также публикации (Шарый, Степанов, 1991; Shary, 1995 и др.; Шарый, Сысуев, 1998).

На основе использования технологии анализа рельефа, реализованной в программе ЕСО, версия 1.04, (разработчик Шарый П.А., ИПФС Пущинского научного центра РАН):

•оцифрованы горизонтали высот сечением через 1 м, основные дороги

игидрографическая сеть с топокарт М 1:10 000;

•оцифрованы границы выделов и кварталов ГИЗЛ "Горки" по планшетам лесоустройства 1990 г;

•по введенным с топокарт горизонталям построена матрица высот рельефа с шагом решетки 16,667 м размером 456 столбцов • 561 строк = 255 816 элементов; матрица высот построена на 4 листа топографических карт масштаба 1:25 000; шаг решетки матрицы обоснован при дискретизации полога леса показателями высоты древостоя и географической широтой конкретной местности (Чумаченко, Сысуев и др., 1997);

•эта матрица вместе с векторными данными по гидрографической сети, дорогам, границам выделов и кварталов и картографической сетке составила цифровую модель местности, использовавшуюся для дальнейших расчетов и

- 208 -

графического представления результатов;

• на основе цифровой модели рельефа в каждой точке (элементе матрицы) рассчитаны модифицированным методом Эванса и представлены графически (помимо карты высот земной поверхности, являющейся источником исходных данных):

1)крутизна склонов (угол наклона склона) в градусах;

2)освещенность склонов (симуляция рельефа) в процентах от значения освещенности при перпендикулярном к земной поверхности падении солнечных лучей (освещенность рассчитывалась для угловой высоты источника освещения над горизонтом 25° и северном азимуте источника освещения);

3)ориентация (направление) склонов в градусах от северного направления меридиана через 360/41 = 8,78 градусов;

4)горизонтальная кривизна в относительных единицах (полученных логарифмированием значения кривизны в 1/м по формуле sign(kh)«ln(l+106|kh|), где kh - значение кривизны в 1/м, sign(kh) равен 1 при kh>0, 0 при kh=O, -1 при kh<0);

5)вертикальная кривизна в относительных единицах (полученных логарифмированием значения кривизны в 1/м по формуле sign(kv)*ln(l+106|kv|), где kv - значение кривизны в 1/м, sign(kv) равен 1 при kv>0, 0 при kv=O, -1 при kv<0);

6)зоны аккумуляции построены наложением двух предыдущих карт. На карты распределения морфометрических показателей были

наложены границы лесохозяйственных выделов, а также гидрографическая сеть и главные дороги. После этого на морфометрические показатели также были наложены карты выделов, дифференцированные по основным лесотаксационным характеристикам насаждений (преобладающая порода, бонитеты, запасы древесины на выделе и т.д.). Анализ и обсуждение полученных результатов приведены ниже.

6.3.3. Обсуждение полученных результатов

Ландшафтная структура исследуемой территории характерна для моренно-водноледниковой равнины: плоские междуречья, покрытые чехлом покровных суглинков, прорезаются долинами ручьев и рек, сложенных делювиальными и аллювиальными отложениями. Таким образом, основными являются две группы типов условий местообитаний (ТУМ): ТУМ плоских и пологонаклонных холмистых равнин и покатых склонов и ТУМ склонов овражно-балочных и речных долин. Повсеместное распространение покровных суглинков определяет довольно высокую трофность в первой группе ТУМ, причем, наиболее благоприятные условия находятся на пологих склонах с лучшей дренированностью почв. В днищах балок и ручьев почвы оглеены, но трофность этих местообитаний также достаточно высокая. Относительные превышения рельефа в пределах исследуемой территории в среднем составляют порядка 50 м при максимуме 100 м, отдельные долины прорезают четвертичные отложения до коренных юрских глин и карбоновых известняков.

- 209 -

На морфолитогенетическую основу ландшафтной структуры накладываются особенности длительного хозяйственного использования территории, что обуславливает своеобразную структуру растительности и, прежде всего, древесной.

На территорию расположения ГИЗЛ "Горки" была выполнена ландшафтная съемка сотрудниками Географического факультета МГУ (Низовцев, 1995). Основным объектом ландшафтных исследований в данном районе явились ПТК ранга урочища, объединенные на ландшафтной карте масштаба 1:25 000 до типологической категории вида. Поскольку выделены только урочища, которые могут (в лучшем случае) соответствовать только выделам при лесоустройстве низших разрядов, нельзя ожидать тесного соответствия границ ПТК и лесохозяйственныхвыделов. Ландшафтноморфологические границы в некоторых случаях могут удовлетворительно совпадать, но могут объединять несколько лесохозяйственных выделов или вообще не совпадать с их границами.

Лесные насаждения на территория леспаркхоза "Горки" представлены фрагментарными массивами. Для более детального анализа было выбрано компактное Коробовское лесничество, на территории которого присутствует практически все разнообразие природных условий данной территории. Границы выделов и кварталов (в скобках) Коробовского лесничества ГИЗЛ "Горки" представлены на рис. 6.24.

Практическое назначение карт освещенности склонов - получение наглядных изображений, позволяющих быстро оценить рельеф и его связь с расположением объектов на нем. Кроме того, освещенность позволяет грубо оценить потенциальный термический (инсоляционный) режим склонов. Как видно на рис. 6.25, на котором нанесены также границы выделов, лишь наиболее крутые склоны оказываются освещенными менее чем на 50% и более чем на 66%по сравнению с освещенностью прямым солнечным светом.

- 210 -

Рис. 6.24. Схема выдедов и кварталов Коробовского лесничества

Для представления о том, каковы реальные угаы наклона склонов на этом рисунке, проведено районирование участка местности с помощью изолинии 3° крутизны (изолиния нанесена цепочками белых точек). Это значение крутизны известно в литературе как пороговое, начиная с которого процессы эрозии почв водными потоками приводят к наблюдаемым изменениям рельефа.

Для лесоводственных целей более важным является то, что значение крутизны 3° имеет пороговое значение для выделения морфологических элементов рельефа краевой зоны московского оледенения, которому принадлежит весьма существенная роль в формировании рельефа и дифференциации природных условий Подмосковья. По генезису и морфологии на территории ГИЗЛ "Горки" четко выделяются два типа рельефа:

1) ледниковый и водно-ледниковый рельеф московского возраста, сохранившийся в цределаХ'Междуречий,. и 2) флювиадьный рельеф поздне- и послемосковского возраста, представленный долинами реки Пахры,''малых рек Людовки,.Купеленки, Туровки и овражно-балочной сетью Рельеф междуречийкажется однообразной пологоволнистой равниной е небольшими перепадами высот, плавными переходами от положительных форм рельефа к отрицательным с очень пологими склонами 1 -.2°, редко до

3°.