Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСАДКОНАКОПЛЕНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ ОСАДКА В ПОЧВЕННОМ ПРОФИЛЕ

Остроумов В. Е.

Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия v.ostroumov@rambler.ru

Аннотация: В докладе описывается модель накопления континентальных осадков, которая позволяет учитывать трансформацию осадочного вещества в период его нахождения в верхних горизонтах толщи под действием факторов почвообразования. Модель позволяет по показателям динамики скорости осадконакопления и интенсивности почвообразовательной трансформации рассчитывать время жизни осадка в заданном диапазоне глубины, степень его трансформации и распределение показателей свойств вещества в осадочной толще.

1. Введение

Толщи континентальных осадков, содержащих погребенные почвы, широко распространены и содержат информацию об этапах развития природной среды и климата. Заключенные в них почвенные профили формировались на этапах замедленного осадконакопления, а также при благоприятных биоклиматических условиях, когда скорости трансформации осадочного материала были достаточно велики. В этих случаях время экспонирования осадка в зоне действия факторов почвообразования оказывалось достаточным для значимой трансформации вещества и для формирования почвенных горизонтов. При высокой скорости осадконакопления и при малой интенсивности трансформации осадка вблизи поверхности почвенные профили не успевали формироваться, и изменений осадочного вещества не происходило. Соотношения скорости осадконакопления и интенсивности почвообразовательной трансформации осадка широко используются для индикации перерывов в осадконакоплении и при решении других палеогеографических задач на качественном уровне. До настоящего времени остаются неразработанными модели для количественной интерпретации распределения показателей свойств материала в осадочных толщах с погребенными почвами.

2.Структура модели

Вдокладе представлена модель, которая описывает осадконакопление и трансформацию осадочного вещества при почвообразовании. Модель основана на учете непостоянных во времени скорости поступления на поверхность осадочного материала и интенсивности его трансформации в заданном диапазоне глубины в почвенном профиле. Модель включает следующие блоки: 1) модуль вычисления динамики уровня поверхности за счет поступления осадочного вещества, 2) модуль вычисления возраста осадочного материала вдоль координаты глубины осадочной толщи, 3) модуль расчета времени жизни

осадочного материала в пределах заданного диапазона глубин в почвенном профиле, 4) модуль определения степени трансформации осадка на протяжении времени его жизни под влиянием факторов почвообразования на заданной глубине, 5) модуль вычисления распределения степени трансформации материала в осадочной толще.

В качестве входных данных модель использует: 1) описание динамики скорости осадконакопления и интенсивности трансформации осадочного вещества, 2) показатели свойств осадка и материала почвенных горизонтов, а также 3) данные о характерных

глубине осадочной толщи.

134

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

3. Примеры использования

Рассмотрены два примера использования модели для интерпретации распределения показателей свойств погребенных почв и осадочного материала в континентальных осадочных толщах.

Первый пример – распределение магнитной восприимчивости в разрезе многолетнемерзлых осадков ледового комплекса (Колымская низменность, северо-восток Якутии). На фоне восстановительной среды осадка ледового комплекса перепады окислительно-восстановительного потенциала в активном слое приводят к формированию маггемита. В результате в аккумулятивных горизонтах возникают зоны повышенной магнитной восприимчивости. В 22-метровом разрезе осадка ледового комплекса, содержащем несколько погребенных почвенных профилей с разной контрастностью, выполнено около 1600 замеров магнитной восприимчивости.

Во втором примере рассмотрено распределение отражательной способности материала в эоловом осадке (юг Западно-Сибирской низменности). Отражательная способность здесь обратно пропорциональна содержанию органического вещества и снижается в гумусовых аккумулятивных горизонтах (460 измерений в толще мощностью 14 м с двумя погребенными и одной современной почвами). В обоих случаях путем подбора показателей динамики осадконакопления и интенсивности трансформации материала в почвенном профиле достигнуто удовлетворительное сходство вычисленных распределений степени трансформации материала с реальным распределением показателей свойств.

Модель может использоваться для количественной интерпретации данных о распределении свойств материала в толщах континентальных осадков, содержащих погребенные почвы, при решении палеоклиматических, почвенно-хронологических и палеотектонических задач. Она может быть полезна в качестве основы при разработке моделей переноса подвижных фаз в почвах и грунтовых толщах с учетом осадконакопления.

135

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ВОЗДУШНОГО ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ И СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Охрименко М.А.1, Алейников А.А.2, Грабарник П.Я.3, Иванова Н.В.1, Шанин В.Н.3, Шашков М.П.3

1Институт математических проблем биологии РАН, Пущино, Россия

maxim.okhrimenko@gmail.com

2Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, Москва, Россия

aaacastor@gmail.com

3Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Россия

shaninvn@gmail.com

Аннотация: Обсуждаются данные дистанционного зондирования Матрешинского и Никулкинского участковых лесничеств Пестовского центрального лесничества Новгородской области, полученные с применением технологий лазерной локации, цифровой аэрофотосъемки и спутникового позиционирования. Показаны возможные подходы к их использованию для целей лесной таксации и мониторинга, для анализа пространственной структуры лесных сообществ, верификации моделей роста древостоя.

Использование воздушного лазерного сканирования (ВЛС) и цифровой спектрозональной аэрофотосъемки получило широкое распространение в целях получения количественных и качественных характеристик лесных массивов (Maltamo et al., 2014). По нашим сведениям, в России исследования на данную тему проводит всего лишь один коллектив (Данилин и др., 2013). Несомненно, основным препятствием служит высокая стоимость, как оборудования, так и проведения аэросъемочных работ. В подобных условиях редкие доступные материалы предоставляют уникальную возможность апробации и развития уже существующих за рубежом методов в российских лесах. Особенностями технологии ВЛС по сравнению с обычной аэрофотосъмкой являются то, что, во-первых, это активное средство дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), т.е. сенсор излучает зондирующий луч, отражения от которого затем регистрирует приемник сенсора. Во-вторых, зондирующий импульс проникает сквозь полог растительности, в третьих, сенсор регистрирует множественные отклики, что в целом обеспечивает достаточно подробную информацию о всех ярусах растительного сообщества. Лазерная локация подробно описана Е.М. Медведевым с соавторами (Медведев и др., 2007).

В наше распоряжение с целью проведения исследовательских работ были переданы данные аэросъемки Пестовского центрального лесничества Новогородской области. Центр участка съемки находится приблизительно в точке с географическими координатами 58o35` с.ш., 35o59` в.д., площадь участка составляет 610 км2. Этот лесной массив относится к южнотаежным лесам, древостои которых сформированы сосной, елью, березой и осиной. Фрагментарно встречаются участки с доминированием липы, клена остролистного, ольхи серой и черной. Преобладают молодые и средневозрастные древостои II-III классов бонитета, сформированные в результате интенсивного лесного хозяйства. В настоящее время, эта территория также вовлечена в активную хозяйственную деятельность.

Набор данных был получен тремя сенсорами в июне-июле 2014 года. ВЛС проводилось системой ALTM Gemini, Optech Inc с частотой импульсов 125кГц воздушным судном Ан 2, одновременно велась съемка среднеформатной камерой DiMAC. Средняя плотность точек лазерных отражений (ТЛО) составила 10 точек на м2 с размером «пятна» на земле 14 см, геометрическое разрешение снимков True Color камеры Dimac - 6 см. Расчетная точность ТЛО, связанная с дальномером, в плане и по высоте составила 10 см. Траектории воздушных судов были вычислены с использованием метода Precise Point Positioning (PPP), что привело к внутренней сходимости траекторного решения с погрешностью в 15 см.

136

Материалы Четвертой конференции «Математическое моделирование в экологии» ЭкоМатМод-2015, г. Пущино, Россия

Снимки RGB&NIR были получены широкоформатной камерой Vexcel UlraCam Lp в отдельном полете на самолете Л410, с регистрацией траектории GPS, но без использования инерциальной системы, с разрешением 27 см на пиксель. В дальнейшем, по снимкам с использованием триангуляции были построены ортофотопланы масштаба 1:10 000.

Рисунок - ТЛО, расцвеченные по интенсивности в градациях серого, вид сверху и в разрезе на 10ый выдел 144 квартала (7Е3Б) Матрешинского участкового лесничества

Важным аспектом работы с данными, полученными с помощью дистанционного зондирования, является их дешифрирование и проверка на соответствие результатам натурных обследований на временных пробных площадях (ПП), заложенных с помощью технологии Field-Map. Использование этой технологии позволит закартировать все деревья с определением основных морфометрических характеристик стволов и горизонтальных проекций крон. Результаты измерений в дальнейшем можно будет сравнить с расчетными значениями, полученными при анализе материалов лазерной локации как на уровне отдельных деревьев (средняя ширина и высота кроны), так и на уровне древостоя (высота полога, количество ярусов, сомкнутость крон.

После дешифрирования данные дистанционного зондирования могут быть использованы для валидации индивидуально-ориентированных моделей уровня древостоя. Процедура валидации заключается в генерировании при помощи модели большого количества виртуальных древостоев и сравнении их основных характеристик (полнота, средняя высота, сомкнутость крон и пр.) с данными лазерной локации.

Другим возможным применением данных ВЛС для анализа состояния и прогноза развития экосистем является задача выделения участков, не занятых древесной растительностью - разрывов в пологе леса, образовавшихся в результате слома или вывала деревьев. Анализ особенностей структуры таких “окон” позволяет сформулировать и проверить гипотезы о процессах возобновления древостоя на разных стадиях развития экосистем. Помимо уже перечисленных возможностей использования данных ВЛС можно отметить задачи оценки запаса древесины и фитомассы. Определение этих двух параметров откроет новые возможности как для оценки запаса углерода в лесных экосистемах, так и для таксации больших лесных массивов.

Авторы выражают благодарность компании “Авиация и Прикладная Экология” и лично Г.Ю. Смаглюку за предоставленные данные.

Литература

Matti Maltamo, Erik Næsset, Jari Vauhkonen Forestry Applications of Airborne Laser Scanning: Concepts and CaseStudies. Springer, 2014. - 463с.

Данилин А.И., Данилин И.М,. Свищев Д.Д. Совершенствование алгоритмов дешифрирования таксационных показателей лесных насаждений на основе данных лазерной и цифровой аэрои космической съемки // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2013 Т. 3., № 4.

Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р. Лазерная локация земли и леса: учеб. пособ., 2-е изд., перераб. и доп. М.: Геокосмос; Красноярск: Институт леса СО РАН. 2007. - 229с.

137