«Кафедра лесного хозяйства В. В. Пахучий ВЕДЕНИЕ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА НА БАЗЕ ГИС Учебное пособие Утверждено учебно-методическим советом Сыктывкарского лесного института в качестве учебного пособия для студентов направления ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ С. М. КИРОВА»

Кафедра лесного хозяйства В. В. Пахучий

ВЕДЕНИЕ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА НА БАЗЕ ГИС

Учебное пособие Утверждено учебно-методическим советом Сыктывкарского лесного института в качестве учебного пособия для студентов направления бакалавриата 250100 «Лесное дело» и специальности 250201 «Лесное хозяйство»

всех форм обучения Сыктывкар СЛИ УДК 630*2 (470.13) ББК 43. П Печатается по решению редакционно-издательского совета Сыктывкарского лесного института Пахучий, В. В.

П21 Ведение лесного хозяйства на базе ГИС : учебное пособие / В. В. Пахучий ;

Сыкт. лесн. ин-т. – Сыктывкар : СЛИ, 2013. – 56 с.

ISBN 978-5-9239-0447- В учебном пособии изложены основные положения курса «Ведение лесного хозяйства на базе ГИС». Рассмотрены вопросы применения ГИС при лесохозяйственной деятельности, организации лесного мониторинга, применения геоинформационных систем при лесоводственных и таксационных исследованиях и лесоустройстве.

Рассчитано на студентов направления бакалавриата 250100 «Лесное дело» и специальности 250201 «Лесное хозяйство» всех форм обучения, а также специалистов в области лесоведения и лесоводства, лесной экологии и биогеоценологии, охраны природы.

УДК 630*2 (470.13) ББК 43. Темплан 2013 г. Изд. № 111.

* * * Учебное издание ПАХУЧИЙ Владимир Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

ВЕДЕНИЕ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА НА БАЗЕ ГИС

Сан.-эпид. заключение № 11.РЦ.09.953.П.000015.01. Подписано в печать 19.02.13. Формат 60 90 1/16. Уч.-изд. л. 3,7. Усл. печ. л. 3,5. Тираж 40. Заказ № 545.

_ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ) 167982, г. Сыктывкар, ул. Ленина, 39.

www.sli.komi.com. E-mail: [email protected].

Редакционно-издательский отдел СЛИ. Отпечатано в СЛИ ISBN 978-5-9239-0447-5 © Пахучий В. В., © СЛИ,

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ГИС В ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО...

Контрольные вопросы

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ,

ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИС

Контрольные вопросы

ГЛАВА 3. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ НА БАЗЕ ГИС

Контрольные вопросы

ГЛАВА 4. ГИС В ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Контрольные вопросы

ГЛАВА 5. ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Контрольные вопросы

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ ТОЧЕЧНОЙ ТЕМЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ТЕМЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ ПОЛИГОНАЛЬНОЙ ТЕМЫ.........

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПРИМЕРЫ КОМПОНОВОК ГИС

ПО ТЕМАМ ДИПЛОМНЫХ ПРОЕКТОВ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ГИС-технологии активно внедряются в лесном хозяйстве, прежде всего в лесоустройстве, при систематическом обновлении информационной базы лесного фонда и лесных ресурсов, ведении лесного реестра, организации мониторинга, контроле за лесоэксплуатацией.

Для работы с пространственно распределенной информацией используют геоинформационные системы (ГИС), обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных. Геоинформационная система содержит сведения о пространственно выраженных объектах в форме их цифровых векторных, растровых и других представлений.

Первый опыт создания ГИС связан с разработками, выполненными в начале 1960-х годов в Канаде по заданию Министерства лесного хозяйства и сельского развития. Для этих целей было создано отделение информационных систем регионального планирования, которое в течение 19631971 гг. разработало первую лесную ГИС. Аналогичные работы выполнялись в Швеции, однако здесь основные акценты были сделаны на учете земельных ресурсов. В середине 1970-х здесь было разработано 12 геоинформационных систем. Расширению возможностей ГИС способствовало освоение новых источников данных для геоинформационных систем, таких как материалы дистанционного зондирования и данные глобальной системы позиционирования GPS (Global Positioning System). В СССР развитие геоинформационных технологий было связано с научными исследованиями и внедрением в производство разработок ВО «Леспроект» в начале 70-х годов прошлого столетия. Здесь работы были связаны с обоснованием технологий автоматизированной обработки и дешифрирования космо- и аэрофотоснимков для целей инвентаризации лесов и лесоустройства.

Это позволило к 1983 г. создать технологию оформления лесных карт, в дальнейшем явившейся основой информационных систем с базой данных и возможностью распечатки лесоустроительных планшетов. В этом же направлении происходило развитие цифровой картографии в Поволжском лесоустроительном предприятии [1].

Рациональное использование, воспроизводство, охрана и защита, повышение продуктивности лесов – это сложная и требующая срочного решения задача. Планы и решения по сбережению и рациональному использованию лесных ресурсов и их эксплуатации нередко противоречивы и принимаются в обстановке столкновения интересов и с высокой степенью неопределенности. Географические информационные системы дают возможность людям, занимающимся лесным хозяйством, интегрировать и использовать имеющиеся источники картографической и табличной информации для повышения качества принимаемых решений.

Большинство сложностей в лесоуправлении в значительной степени являются проблемой информационного характера. Интегрированная ГИС повышает гарантию того, что потребности всех лиц, связанных с лесным хозяйством, будут удовлетворены за счет общего и разделяемого доступа к объективной информации. ГИС-технологии являются мощным средством для того, чтобы показать применение принципов стабильного развития и интегрированного управления лесами. История развития ГИС свидетельствует, что лесоводство было одной из первых отраслей, применивших методы геоинформационных технологий, но не сразу управляющие осознали ту интегрирующую роль ГИС в создании планов, согласовании графиков, принятии важных решений по использованию лесных ресурсов. ГИС – это новые возможности лесоуправления, это дополнительный резерв времени для профессионального анализа вероятных сценариев, концентрации усилий на решении наиболее сложных проблем, требующих срочного решения.

ГИС-технологии – это мощный набор программных средств для создания и редактирования географических баз данных, для целей пространственного анализа, поиска, представления и управления данными. Эти средства могут использоваться для поддержки разнообразных функций управления лесными ресурсами, в т. ч. разработки долговременной стратегии поставок древесины, составления прогнозов динамики запасов, выбора системы лесозаготовки, проведения визуального ландшафтного анализа с наложением делянок, решения споров относительно границ собственности, установления границ естественных местообитаний, моделирования сценариев распространения лесных пожаров, осуществления тактического планирования по тушению пожаров и т. д. [2].

ГИС-технологии обладают рядом достоинств, обеспечивающих приоритетность их использования при решении задач лесоводства отрасли. В числе этих достоинств – возможность создания мощной и гибкой модели на основе лесоводственно-таксационных данных, интегрированное управление табличными и географическими данными, векторная топология (точка, линия и полигон) и растровые модели данных, интеграция растровых и векторных изображений, поддержка стандартных форматов изображений и цифровое отображение, взаимосвязь с системами глобального позиционирования (GPS), возможности обмена данными в большом количестве форматов, автоматическое картирование, отображение тематических карт и составление таблиц, формирование запросов и выполнение различных видов анализа и др.

Программное обеспечение современных ГИС обеспечивает доступность географических данных для всех заинтересованных сторон на уровне района, области, страны. Именно это обусловливает целесообразность применения ГИС для планирования стратегического управления лесами, которое заключается в составлении прогнозов (сценариев) при различных способах лесоуправления. Это особо важно для целей долгосрочных оценок динамики запасов древесины и состояния естественных условий местообитания. Прогнозирование основывается на применении моделей стратегии управления, описывающих не только текущее состояние лесных массивов, но и их динамику на основе ландшафтного подхода.

Использование ГИС при планировании управления на уровне лесосеки (делянки) при лесозаготовках основывается на возможности их применения для целей пространственного моделирования. Пространственные модели лесов используют как абсолютные, так и относительные географические привязки лесных массивов в проектировании и проверке стратегий лесозаготовок как части процесса планирования лесного хозяйства. ГИС позволяет учесть размещение отдельных лесонасаждений, разработать графики лесозаготовок, отобразить разработки в картографическом виде. Одновременно с этим географическая привязка участков позволяет учесть экономические и физико-географические особенности участков.

Применение ГИС существенно облегчает проектирование лесных дорог в части оценки альтернативных вариантов дорожной сети, учитывающих местоположение, время строительства, строительные стандарты дорожной сети и другие факторы. Планирование дорожной сети в лесу определяет надежность оценок возможных годовых объемов лесозаготовки. В сочетании с характеристиками лесонасаждений, такими как видовой состав и запасы деловой древесины, ГИС-технологии обеспечивают оперативный анализ выгодности проекта строительства дороги на основе экономических оценок, учитывающих затраты и эффект от строительства. Одновременно решаются другие прикладные задачи, такие как анализ устойчивости дорожного полотна и склонов с учетом рельефа местности и характера почвогрунтов, расчеты объемов выемки и насыпи грунта, анализ просматриваемости, оценка воздействия на природную среду, анализ потоков транспортных средств и др.

Дистанционное зондирование для целей оценки лесоресурсного потенциала также включает элементы ГИС-технологий. Очевидна потенциальная значимость цифровой информации дистанционного зондирования для обновления характеристик лесного фонда. В то же время, чтобы практически использовать этот ценный источник информации, данные спутниковых изображений, полученных, например, на основе обработки космических снимков в среде ERDAS, должны получить географическую привязку и быть откорректированы с учетом рельефа и связаны с такой технологической инфраструктурой, как ГИС. Подобный подход целесообразен при решении задач планирования лесопользования в условиях недостатка информации о состоянии лесного фонда, проблем, связанных с первичными лесами и др.

Интегрированное управление ресурсами предполагает использование разнообразных источников данных и процедуры комплексного анализа, обычно в больших временных рамках и для обширных лесных территорий. Основная цель состоит в том, чтобы создать план освоения, приемлемый с точки зрения лесоводства, лесоэксплуатации, охраны окружающей среды. Основой плана служит исчерпывающая характеристика лесного фонда, данные о приросте и т.

п. Другие показатели, интегрированные с базой данных, включают характеристики возможного воздействия на малонарушенные леса, зоны рекреации, водные ресурсы, биоразнообразие, аттрактивность ландшафта. ГИС позволяет интегрировать все эти характеристики для объективной оценки и проверки альтернативных вариантов освоения. Возможность интеграции множества видов цифровых данных, включая управление базами данных, растровых систем, данных глобального позиционирования (GPS) позволяет использовать существующие возможности и системы управления базами данных для поддержки прикладных задач лесного хозяйства.  Все вышеизложенное позволяет считать целесообразным получение будущими специалистами лесного хозяйства основных знаний о ГИС-технологиях и навыков по использованию методов и способов ГИС для организации рационального, непрерывного, неистощительного и устойчивого лесопользования.

Цель преподавания дисциплины «Ведение лесного хозяйства на базе ГИС» – дать студентам основы ведения лесного хозяйства на базе ГИС-технологий. В результате изучения дисциплины студенты должны получить необходимые знания о назначении и видах лесных карт, научиться пользоваться специальным программным обеспечением, изготавливать лесные карты на бумажных носителях и цифровые лесные карты, использовать данные лесных карт в лесном хозяйстве. Для усвоения материала по данной дисциплине необходимо знание информатики и вычислительной техники, высшей математики, лесной таксации, инженерной геодезии, геоинформационных систем, автоматизированного дешифрирования аэрокосмических изображений, картографирования на базе ГИС.

Учебное пособие рассчитано на студентов всех форм обучения специальности 250201 «Лесное хозяйство» и направления бакалавриата 250100 «Лесное дело», а также специалистов в области лесоведения и лесоводства, лесной экологии и биогеоценологии, охраны природы.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ГИС

В ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

В настоящее время одной из проблем, с которой сталкивается лесная отрасль при решении вопросов внедрения ГИС, является осознание определенного несоответствия целей и задач по использованию ГИС-технологий и действительного уровня профессионального геоинформационного образования. Достаточно четко это было отражено в резолюции Всероссийского учебнометодического и научного семинара «Современное состояние и перспективы применения ГИС-технологий и аэрокосмических методов в лесном хозяйстве и садово-парковом строительстве. Особенности преподавания данных дисциплин в высших и средних учебных заведениях». Прошло время, когда именно наличие и доступность современных аппаратных средств, как казалось, определяют уровень и темпы развития ГИС-технологий в России. Пришло осознание того, что не менее важными являются наличие и доступность образовательных программ в области ГИС.

Участники семинара отметили, что геоинформационные технологии находят широкое и успешное применение при изучении лесов и оценке их состояния. Доступными для исследовательских, отраслевых производственных организаций и учебных заведений стали материалы космических съемок нового поколения, являющиеся источником данных для ГИС. Проводятся экспериментальные работы по отработке методологии применения в лесном хозяйстве лазерной и радиолокационной аэросъемки. Совершенствуются дистанционные методы мониторинга лесов, в т. ч. лесопожарный, контроля лесопользования, лесопатологический. Разрабатывается методология использования аэрокосмических методов при проведении государственной инвентаризации лесов. Расширяется применение информационных технологий и систем геопозиционирования при лесоустройстве и в лесничествах зоны интенсивного лесного хозяйства и лесопользования.

Геоинформационные технологии получили развитие в исследованиях, связанных с изучением лесных экосистем, оценкой биоразнообразия и экологической обстановки, сохранением особо охраняемых природных территорий, картографированием девственных лесов и др.

Развиваются дисциплины по аэрокосмическим методам и информационным системам в учебном процессе высших и средних учебных заведений при подготовке инженеров по специальности «Лесное хозяйство» и направлению «Лесное дело». Совершенствуется и обновляется учебная, учебнометодическая, материально-техническая база, подготовлены и изданы учебники, учебно-методические материалы по данным дисциплинам, в том числе электронные учебные пособия и обучающие системы.

В то же время уровень подготовки специалистов по данным дисциплинам в высших и средних учебных заведениях недостаточен и отстает от предъявляемых к ним требованиям со стороны производственных подразделений лесного хозяйства и лесоэксплуатации. Ограничено время, выделяемое в учебных программах на данные дисциплины. Слабая техническая и методическая обеспеченность учебных подразделений замедляет широкое практическое использование достижений в области аэрокосмических методов и ГИС-технологий на производстве. Недостаточна координация между заинтересованными сторонами при разработке учебной и научно-методической литературы, мало используются при выполнении научно-исследовательских работ результаты имеющегося в стране научного задела в предшествующие периоды и зарубежный опыт. В практику лесного хозяйства медленно внедряются новые методы и технологии, основанные на применении ГИС и данных дистанционного зондирования. При производственных работах используются традиционные методы визуального дешифрирования материалов аэрокосмических съемок. Не всегда материалы космической и аэрофотосъемки по информативности удовлетворяют требованиям к их технологическому качеству. Организации, выполняющие лесоинвентаризационные работы, осуществляющие мониторинг и различные виды хозяйственной деятельности в лесу, а также надзор за этой деятельностью, слабо используют научно-методический потенциал современных аэрокосмических методов и информационные возможности аэрокосмических снимков, что отрицательно влияет на качество работ и уровень управления лесным хозяйством.

В связи с решением проблемы подготовки специалистов в области ГИС необходимо решить: подготавливать специалиста в области ГИС, который будет обязан при решении очередной задачи осваивать новое направление, вид работы, профессию и т. д., или дать основы знаний ГИС-технологий конкретному специалисту, например, в области лесного хозяйства. Видимо, целесообразнее второй путь. Общее число рабочих мест ГИС для лесного хозяйства России можно установить только приблизительно. Основные потребители ГИСтехнологий в лесном хозяйстве – это работники участковых лесничеств, районных лесничеств, региональных органов управления лесным хозяйством, центрального аппарата Государственной лесной службы. Другие потребители ГИС – лесоустройство, региональные лесопожарные центры, центры защиты леса, экологические и лесопатологические экспедиции, научно-исследовательские учреждения, арендаторы лесов.

Лесоустроительные предприятия являются основными источниками данных, характеризующих лесной фонд на региональном и общероссийском уровне. Эти предприятия создают основной объем картографических и таксационных баз данных, используемых в дальнейшем в лесном хозяйстве. Это указывает на необходимость внедрения в лесное хозяйство ГИС-технологий, одновременно свидетельствуя о целесообразности создания и использования специализированного программного обеспечения. Однако, по мнению отдельных экспертов, здесь заключено противоречие, проявляющееся в том, что лесоустроительные технологии – это технологии, направленные на создание таксационных и картографических баз данных. В то же время технологии лесного хозяйства должны быть приближены к решению повседневных лесохозяйственных задач в области рационального использования, воспроизводства, охраны лесов от пожаров, защиты от вредителей и болезней, повышения продуктивности лесов.

Кроме этого, требования к уровню подготовки лесоустроителя, создающего базы данных, и практика-лесовода, использующего эти продукты в прикладных целях, существенно различаются. ГИС-технологии для лесного хозяйства должны быть комплексными, основанными на ведении взаимосвязанных картографической и таксационной баз данных, простыми в использовании и доступными для освоения на основе принципов самообразования. Для лесного хозяйства должны создаваться специализированные ГИС-технологии, ориентированные на обеспечение поддержки специалиста лесного хозяйства в процессе его повседневной деятельности по реализации комплекса лесохозяйственных мероприятий, сбалансированного с потребностями лесоэксплуатации [1].

Перспективы развития ГИС для лесного хозяйства прежде всего заключены в совершенствовании и развитии методов и способов реализации ГИС-технологий для целей лесоустройства 1. Одно из этих направлений – реализация идей Государственной инвентаризации лесов. Не менее важным является максимальное насыщение всех этапов лесоустройства ГИС-технологиями во время подготовительных, полевых и камеральных работ. Традиционно роль информационных систем возрастает именно в период камеральных работ. При возможности следует договориться о возможности использования землеустроительных данных в цифровой форме о границах землепользования, максимально использовать потенциал систем глобального позиционирования, автоматизированного дешифрирования аэрои космоснимков. Последнее, в свою очередь, предполагает развитие системы региональных тест-объектов, закладываемых и характеризуемых на основе традиционных лесоводственных и таксационных методов. Перспективное направление развития ГИС-технологий это использование цифровых моделей рельефа, цифровых стереомоделей для целей дешифрирования снимков горных лесов. Последнее предполагает учет основных положений ландшафтоведения.

Применение ГИС-технологий в лесной отрасли в настоящее время практически сведено к автоматизированному созданию планово-картографических материалов в цифровой форме и изготовлению бумажных копий этих картографических документов. Отличительной особенностью ГИС-технологий является возможность использования отраслевой картографической, статистической и лесотаксационной информации в выполнении операций моделирования, пространственного анализа и планирования. Сочетание моделирования ситуации и анализа состояния лесфонда позволяет планировать оптимальный набор выполняемых хозяйственных мероприятий с одновременным выводом информации об ожидаемом результате. В то же время статичное состояние информации о природном объекте будет постоянно отличаться от реального положения вещей.

В связи с проблемой подготовки специалистов области геоинформационных систем важным представляется решение следующих вопросов. В перспективе необходимо по возможности увеличить объем лекционных, лабораторных Черных, В. Л. Геоинформационные системы в лесном хозяйстве : учеб. пособие. Йошкар-Ола : МарГТУ, 2007. 200 с.

и практических занятий по дисциплинам «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» и «ГИС-технологии в лесном хозяйстве», укрепить материально-техническую базу учебных заведений, cкоординировать планы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проблемам применения ГИС-технологий и аэрокосмических методов в лесном хозяйстве. Важно обеспечить постоянное совершенствование подготовки специалистов лесного и садово-паркового хозяйства в области ГИС и аэрокосмических методов за счет применения скоординированных программ и единых подходов к подготовке учебной, научно-методической и технической базы, увеличения объема лекционных, лабораторных и практических занятий, внедрения дистанционных методов при самостоятельной форме обучения студентов. Целесообразно включение отдельных вопросов дистанционных методов и информационных технологий в программы преподавания геодезии, лесоводства, лесных культур, агро- и гидролесомелиорации, охраны и защиты леса.

Необходимо отметить наличие положительного опыта по подготовке специалистов данного направления в Сыктывкарском лесном институте (СЛИ).

Согласно Государственному образовательному стандарту по подготовке инженеров лесного хозяйства по специальности «Лесное хозяйство» основные разделы дисциплины «Лесоустройство» должны включать вопросы проектирования лесохозяйственных мероприятий с применением ГИС-технологий. Учебная программа дисциплины «Лесная таксация» в вопросах инвентаризации лесного фонда прямо ориентирует студентов на освоение техники и технологии инвентаризации на основе дистанционных аэрокосмических методов. В свою очередь, Государственный образовательный стандарт и учебная программа курса «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве» включают вопросы аэрокосмической съемки и аэрофотосъемки, картографирования и ландшафтного планирования, а также использования технологий геоинформационных систем. Все это предопределяет включение вопросов ГИС-технологий в курсы лесной таксации и лесоустройства, соответствующую подготовку материальной базы, разработку лекционных курсов и лабораторного практикума для подготовки студентов по данным вопросам.

На начальных этапах подготовки инженеров лесного хозяйства кафедра лесного хозяйства СЛИ обеспечивала ознакомление студентов с основными положениями ГИС-технологий в курсах лекций по дисциплинам «Лесоустройство» и «Лесная таксация». Параллельно укреплялась материальная база, осуществлялись консультации с владельцами ГИС-продуктов, накапливались программы и демонстрационные материалы. В 2001 г. по просьбе Сыктывкарского лесного института Комитет лесов Республики Коми передал кафедре программный продукт GeoGraph/GeoDraw и электронные версии карт-схем Ухтинского лесничества, планы насаждений Кедвинского и Ухтинского лесничеств Ухтинского лесничества с сопровождающей атрибутивной информацией (повыдельной базой данных). Указанные программные продукты и демонстрационные материалы использовались при проведении занятий по дисциплинам «Лесная таксация», «Лесоустройство» и «Гидротехнические мелиорации лесных земель». Студенты III и IV курсов специальности «Лесное хозяйство» знакомились с электронными картами Ухтинского лесхоза, планами насаждений Кедвинского и Ухтинского лесничеств Ухтинского лесхоза. Отрабатывались приемы изменения масштаба плановых материалов, выбора объектов по плану лесонасаждений (выделения участка или объекта), получения общей характеристики насаждений по электронной карте (плану лесонасаждений) и таблице сопровождающей атрибутивной информации (повыдельной базе данных). Показывались возможности формирования выборки по заданным параметрам (таксационным показателям), например, выборка участков (выделов) старовозрастных темнохвойных насаждений для оценки выделения их в качестве девственных насаждений или включения их в массив ненарушенного девственного леса;

использования электронных карт и повыдельной базы данных для решения вопросов назначения рубок для заготовки древесины и рубок ухода и материальной оценки лесосек. По курсу «Гидротехнические мелиорации лесных земель» демонстрировались ГИС-представления участков с осушительной сетью, конструкция осушительных систем, объяснялась возможность определения по электронным картам расстояний между каналами, их протяженности, степени канализации и т. д.

Цель ознакомления с реальным ГИС-представлением плановых материалов и таксационных описаний в основном достигалась. Студенты могли сравнивать традиционные методы представления этих материалов и методы ГИС для решения этих вопросов. Очевидными были положительные стороны использования ГИС-технологий применительно к целям и задачам лесного хозяйства современность методов, высокая скорость решения задач, возможность обработки больших объемов информации, компактность баз данных, ценность для реализации исследовательских проектов и т.д.

ГИС-технологии используются на кафедре лесное хозяйство при дипломном проектировании с 2002 г. Защищаются дипломные проекты на темы, связанные с анализом лесного фонда на основе ГИС-технологий и уточнением проектов лесохозяйственных мероприятий, по вопросам лесоводственной оценки системы мероприятий по повышению продуктивности заболоченных лесов, использованию различных методов таксации лесосек с использованием ГИС, учету плодоношения, оценке состояния особо охраняемых природных территорий и др. В настоящее время 2030 % от общего количества дипломных проектов включают в качестве методической основы исследований элементы ГИС-технологий.

ГИС-центр Сыктывкарского лесного института, на базе которого проходят лабораторные занятия, имеет лицензионные программные продукты компаний ESRI и LEICA. Данное подразделение Сыктывкарского лесного института принимало участие в изготовлении электронных карт для лесхозов Республики Коми. ГИС-центр активно содействует развитию подготовки будущих инженеров лесного хозяйства по специализации «Аэрокосмические методы и средства исследования лесных ресурсов на базе ГИС-технологий». В курсе специализации преподаются дисциплины «ГИС-технологии», «Лесная картография на базе ГИС-технологий», «Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических изображений», «Ведение лесного хозяйства на базе ГИС». Последняя дисциплина суммирует знания студентов, полученные при изучении предыдущих предметов специализации. На лабораторных занятиях по «Ведению лесного хозяйства на базе ГИС» разрабатываются ГИС-представления по темам дипломных проектов. Они включают краткое описание методики разработки ГИС, собственно ГИС, состоящее из введения, картографической и атрибутивной (обычно лесоводственно-таксационной) базы данных, компоновки, диаграмм, графиков и аналитических зависимостей, полученных в результате анализа материалов, собранных в процессе полевых работ, заключения, библиографического списка литературы. Разработка ГИС осуществляется обычно в среде ArcViewGIS с использованием традиционных методов оцифровки исходного картографического материала (планшетов, планов лесонасаждений или их фрагментов) и создания точечных, линейных и полигональных тем (приложения 13). Таблицы атрибутивных данных также создаются на основе материалов лесоводственных и таксационных исследований, выполненных во время преддипломной практики. Примеры компоновок по различным темам дипломных проектов приведены в приложении 4. ГИС-представление проходит публичную защиту в конце курса данной дисциплины с демонстрацией электронной версии разработки и представлением ее печатной версии.

1. История внедрения ГИС в лесное хозяйство.

2. Проблемы внедрения ГИС в лесное хозяйство.

3. Перспективы внедрения ГИС в лесное хозяйство.

4. Роль лесного образования в деле внедрения ГИС в лесное хозяйство.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ,

ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИС

Среди программных средств имеется большое количество отечественных и зарубежных пакетов программно-технологических комплексов для реализации идей ГИС-технологий, которые постоянно обновляются. В настоящее время имеется широкий выбор инструментальных пакетов программного обеспечения ГИС. Все они отличаются как назначениями, так и требуемыми ресурсами. Ниже приводится краткий обзор ГИС 2, использовавшихся и используемых в лесном хозяйстве и при проведении лесоводственных и таксационных исследований [1].

ЛУГИС автоматизированная компьютерная геоинформационная система, включающая подсистемы для лесоустройства, лесного хозяйства и лесопользователей ЛУГИС-ЛХ, управления лесным комплексом WinEKO. В 1988 г.

система была утверждена в качестве геоинформационной системы для лесоустройства и компьютерной поддержки ведения лесного хозяйства и организации лесопользования в Ленинградской и Новгородской областях.

GeoGraph/GeoDraw (разработчик ЦГИ ИГ РАН) отечественный векторный топологический редактор для создания цифровых карт. Система, использовавшаяся в Восточной Сибири, Поволжье, Прибайкалье, Вологодской и Архангельской областях, Республике Коми для решения вопросов организации и ведения лесного хозяйства, проведения лесоустроительных работ на региональном и локальном уровне в производственном масштабе. GeoGraph для Windows отечественная ГИС уровня конечного пользователя, позволяющая осуществлять некоторый универсальный общий набор функций ГИС, удовлетворяющий большинство пользователей в различных предметных областях.

GeoGraph для Windows позволяет создавать электронные карты или атласы как композиции картографических слоев, выбираемых пользователем (включая векторные и растровые), и связанных с ними таблиц и баз данных, загружать в карту одновременно множество слоев различных форматов, создавать пространственные объекты (точечные, линейные, полигональные) в виде слоев с привязкой к ним таблиц атрибутивных данных, создавать и связывать со слоями цифровых карт множества таблиц, форм для вывода информации об объектах, запросов, тем, графиков и надписей.

Пакет ГИС MapInfo (MapInfo Corporation, Нью-Йорк, США) предназначен для картографической визуализации оцифрованных массивов векторных данных и используется для создания, преобразований и анализа тематических карт стран, регионов, городов и т. д. Введенная в MapInfo карта может быть отображена различными способами, в том числе в виде таблиц, графиков и диаграмм, а также в виде комплексных карт, скомпонованных вместе с легендами, заголовками и другими картографическими атрибутами. Система MapInfo позволяет отобраПахучий В. В., Пахучая Л. М., Чупров В. Е. Объекты и методы лесоводственных исследований : учеб. пособие. Сыктывкар : СЛИ, 2004. 115 с. ; Черных В. Л. Геоинформационные системы в лесном хозяйстве : учеб. пособие. Йошкар-Ола : МарГТУ, 2007. 200 с.

жать различные данные, имеющие пространственную привязку. Она относится к классу DesktopGIS. Система дает возможность создавать интегрированные геоинформационные технологии Intergraph MapInfo для DOS, Windows, Windows NT, UNIX, геоинформационные системы, цифровые картографические системы, программные и технические средства формирования и анализа геоинформационных баз данных. По данным большинства обзоров, MapInfo является одним из самым распространенных пакетов для создания различных прикладных ГИС.

Набор универсальных картографических и статистических функций позволяет использовать MapInfo в муниципальном и региональном управлении, полиции, пожарной охране, экологии и других сферах деятельности. Это определило широкое использование данного продукта и в лесном хозяйстве в Западной и Восточной Сибири, Поволжье, Прибайкалье, Вологодской области для целей лесного картографирования, проведения лесоустроительных работ, лесоуправления на региональном и локальном уровне в производственном масштабе.

ГИС TopoL-L состоит из базового продукта ГИС TopoL (Чехия), который работает с картографией и программной надстройки «ЛесИС» (L) для работы с таксационными данными. Обе подсистемы могут работать как совместно, так и раздельно, т. к. являются самодостаточными, самостоятельными продуктами.

Программный комплекс TopoL-L сконструирован для обеспечения работы с базами данных любого уровня управления отраслью – от повыдельных баз данных для арендаторов до баз данных лесничеств и регионов для сотрудников региональных и федеральных органов власти в области лесных отношений. Первоначально система использовалась при проведении лесоустройства, для целей лесоуправления в Московской, Костромской и Тверской области. В дальнейшем география использования данного продукта существенно расширилась.

Система TopoL представляет собой универсальную геоинформационную программу, используемую во многих отраслях для решения разнообразных прикладных задач, локализованную для применения в России. Программный продукт позволяет выполнять весь комплекс работ по созданию, редактированию, анализу и использованию цифровых карт местности. Ввод пространственной информации осуществляется любыми известными способами дигитайзером, по отсканированным изображениям, по геоданным. Анализ атрибутивной и пространственной информации и визуализации результатов выполняется всеми стандартными методами поиском, построением запросов, формированием тематических карт, включая использование диаграмм. При сравнительно невысокой стоимости она позволяет решать не только большинство задач ГИС, но и задачи анализа данных дистанционного зондирования.

ArcGIS семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем.

ArcViewGIS это мощный, легкий в использовании инструмент для обеспечения доступа к географической информации 3. ArcView дает широкие возможноArcView : руководство пользователя. URL: polnye_instrukcia.ru/r/arcview_rucovodstvo_polsovatelya_17.

сти для отображения, изучения, выполнения запросов и анализа пространственных данных. ArcView разработан Институтом исследований систем окружающей среды (Environmental Systems Research Institute, ESRI), изготовителем ArcInfo ведущего программного обеспечения для географических информационных систем. Интегрированный пакет ArcInfo типичное инструментальное средство для разработки и эксплуатации ГИС широкого назначения. Он предназначен для создания геоинформационных систем и обеспечивает ввод, обработку, анализ данных и составление географических карт с использованием персонального компьютера. ArcView позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объемы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. ArcView применим в основном для простого анализа, выборки, статистики, а также для представления данных и оформления вывода на печать. Главная особенность ArcView простота загрузки табличных данных типа файлов dBASE и данных с серверов баз, для отображения, запросов, обработки и организации таких данных в удобном для восприятия и анализа виде. У ArcView удобный, многооконный интерфейс, а у ArcInfo командная строка. На начальном этапе данные программные продукты использовались в основном в исследовательских целях, для осуществления лесного мониторинга, лесопожарного мониторинга во ВНИИЛМЕ, Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, Международном институте леса, предприятиях Авиалесоохраны.

Геоинформационная программа VE-L (графический редактор VectEdit, связанный с СУБД) применялась при непрерывном лесоустройстве, для ведения лесного хозяйства в Московской области на основе технологии, разработанной Центральным лесоустроительным предприятием.

СУБД-L – система управления базами данных в лесном хозяйстве. Является прототипом СОЛИ-1 (система обработки лесоустроительной информации), использовавшейся в лесоустройстве Центролеспроектом с 1990 г.

ПЕТРОЛЕСПРО (PLP) – система управления базами данных в лесном хозяйстве. Это подсистема ЛУГИС, упоминавшейся выше. Является прототипом системы обработки лесоустроительной информации СОЛИ-2, ранее использовавшейся в лесоустройстве.

АСУЛР автоматизированная система управления лесными ресурсами.

Предназначена для работы с данными учета лесного фонда.

1. Программные отечественные продукты, используемые в ГИС-технологиях.

2. Программные продукты фирмы ESRI, используемые в ГИС-технологиях.

3. Программные продукты фирмы LEICA, используемые в ГИС-технологиях.

4. Подготовка материалов таксации для создания повыдельной базы данных.

5. Программные продукты, используемые для целей лесоустройства.

6. Фирмы-разработчики программных продуктов, используемых в ГИС-технологиях.

ГЛАВА 3. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ НА БАЗЕ ГИС

Мониторинг – это наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенного и растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны. Различают глобальный, региональный и локальный уровни мониторинга. Мониторинг проводится с помощью телевизионных изображений, аэро- и космоснимков, а также путем сбора данных с наземных и морских станций. Космический мониторинг позволяет оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды экологических сдвигов, изучать взаимодействие техногенных систем. ГИС обеспечивает оперативное обновление исходной информации об объекте, что свидетельствует о целесообразности использования ГИС-технологий при реализации идей мониторинга, в т. ч. и лесного, под которым понимается система наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда.

Система мониторинга, проводимая с известной периодичностью, должна удовлетворять потребность пользователей в информации в зависимости от направления мониторинга (например, лесопожарного, лесопатологического, лесопромышленного, лесохозяйственного). В то же время она базируется на таксационных и лесоводственных методах исследования. При этом, в зависимости от целей и задач, детализация лесоводственно-таксационных методов может быть различной, а сами методы достаточно сложными и трудоемкими, например, при мониторинге малонарушенных насаждений.

При решении такой задачи прежде всего необходимо установить принципиальную возможность отнесения экспериментальных участков к малонарушенным. Важнейшее условие ненарушенность насаждений под воздействием каких-либо антропогенных воздействий в последние десятилетия. Кроме этого, должно быть обеспечено сохранение опытных участков в качестве объектов мониторинга в будущем. В мониторинговых насаждениях недопустимы никакие воздействия человека. Постоянные пробные площади закладываются в типичных климатических и почвенных (лесорастительных) условиях и типах леса. Желательно выделение четырех групп сукцессионных стадий (фаз):

1) возобновительная фаза, например, после лесных пожаров, ветровалов, буреломов, после вспышек болезней и вредителей;

2) фаза молодняков;

3) фаза спелых насаждений;

4) фаза распада.

Прежде всего, планируется закладка таких объектов на минеральных почвах. Позднее возможно включение насаждений на торфяных почвах и насаждений других типов леса. Насаждения для мониторинга должны представлять собой типичные примеры определенных типов растительных условий и типов леса в конкретной растительной зоне. Минимальная площадь насаждения 2 га.

Целью является закладка, по возможности, наиболее полной серии типов лесорастительных условий, типов леса и сукцессионных фаз в различных растительных зонах. Следует также учитывать возможность доступа к мониторинговым насаждениям.

Самостоятельным вопросом является размещение пробных площадей в границах насаждения. Предлагается закладывать круговые пробные площади. В каждом насаждении рекомендуется закладка двух различных кластеров пробных площадей. Первый кластер представлен пробными площадями с учтенными на них крупными деревьями, диаметр которых на высоте груди превышает 50 мм. На этой же территории закладывается кластер пробных площадей, на которых учитываются мелкие деревья (их высота более 0,5 м, а диаметр на высоте груди менее 50 мм) и подрост.

За мелкими деревьями и подростом наблюдения проводятся на девяти круговых пробных площадях одинакового размера. Их радиус 5,64 м, а площадь 100 м2. Каждая пробная площадь разделена на 20 одинаковых по площади секций. Учет мелких деревьев и подроста выполняется отдельно на каждой секции.

Кластер пробных площадей организован следующим образом. Центральная пробная площадь находится на пересечении линий, ориентированных по странам света. Центры четырех пробных площадей располагаются на расстоянии 22,36 м от точки пересечения линий и, соответственно, от центра первой пробной площади. Центры еще четырех пробных площадей располагаются на расстоянии 70,71 м от центра первой пробной площади и являются центрами пробных площадей для мониторинга крупных деревьев.

Учет деревьев с диаметрами на высоте груди более 50 мм осуществляется на пяти круговых площадях. Центральная круговая пробная площадь находится в точке пересечения ориентированных по странам света линиях. Четыре сателлитные пробные площади располагаются на данных линиях на расстоянии 70,71 м от центральной пробной площади. При закладке таких кластеров должно быть обеспечено сохранение буферной зоны вокруг них шириной не менее 10 м. Если это условие не выполняется, то удаление сателлитных пробных площадей от центральной пробной площади уменьшается до 60, 50, 40 м. Если и в этом случае буферная зона не может быть обеспечена, то кластер на данном участке не рекомендуется закладывать вообще.

Размеры центральной пробной площади для учета деревьев с диаметром на высоте груди более 50 мм устанавливаются в зависимости от густоты таких деревьев на участке (табл. 1).

Таблица 1. Размеры центральных в кластере пробных площадей Густота деревь- Размер пробной Радиус пробной Количество деревьев Радиус и площадь сателлитных пробных площадей устанавливаются в зависимости от количества крупных деревьев (диаметр на высоте груди более 50 мм) на центральной пробной площади (табл. 2).

Таблица 2. Размеры сателлитных в кластере пробных площадей Количество деревьев на централь- Размеры сателлитной Радиус сателлитной Достаточно четко регламентируется закрепление положения центров пробных площадей на местности. Так, рекомендуется отмечать центры пробных площадей столбиками (брусками) сечением 50 х 50 мм из древесины хвойных пород, если возможно из лиственницы. Высота столбика над поверхностью земли 75100 см. Верх столбика, 30 см, рекомендуется покрасить. Номер эксперимента указывается на южной стороне столбика, а номер центральной пробной площади на его северной стороне. Номера других пробных площадей указываются на верхней (торцевой) части столбика. При указании номера пробной площади эксперимента можно ограничиться указанием только последней цифры номера.

В случае если в одном и том же выделе будут расположены три или более кластеров, закладка сателлитных пробных площадей и соответствующих им пробных площадей для учета мелких деревьев и подроста необязательна.

В этом случае допускается, что на центральных пробных площадях будет получено достаточно информации об изменчивости деревьев и подроста.

Крупные деревья отмечаются горизонтальной линией длиной 1015 см на высоте 1,3 м со стороны, направленной к центру кластера. Деревья идентифицируются определением для каждого из них породы, положения и диаметра на высоте груди. На каждом десятом дереве над отметкой высоты 1,3 м закрашивается кружок диаметром 5 см, начиная с дерева под номером 1.

Разработаны специальные формы (ведомости), в которые вносится общая информация о каждом экспериментальном кластере. Положение каждого кластера должно быть описано достаточно детально для того, чтобы не было затруднений с проведением повторных измерений. Рекомендуется вкладывать в комплекты документов копии карт с указанием на них положения экспериментальных кластеров. Мониторинговые данные, полученные при учете крупных деревьев, и характеристика мелких деревьев и подроста также отражаются в специальных формах.

В общей характеристике эксперимента обязательно должно быть указано, использованы или нет старые пробные площади (опытные участки) или экспериментальный кластер заложен в полном соответствии с руководством по закладке постоянных пробных площадей в ненарушенных лесах. В общей характеристике эксперимента должны быть отражены:

- номер эксперимента (один и тот же номер не повторяется дважды);

- порядковый номер измерения;

- номер и размеры пробной площади;

- уклон участка (приводится, если уклон превышает 10);

- экспозиция (СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ, С, изменяющаяся экспозиция);

- год измерений (две последние цифры; так, для 1994 указывается 94);

- месяц измерений (так, для июня указывается 06); день измерений;

- положение пробной площади (описывается положение сателлитных пробных площадей по отношению к центральной пробной площади);

- заметки и дополнения (например, информация о лесорастительных условиях, рельефе местности, почвах и т. д.).

Для записи результатов учета крупных деревьев используется форма, в которой отражена информация о номере эксперимента, исполнителе, дате выполнения учетных работ. Большое значение придается детальному описанию положения деревьев, их размеров и дополнительной информации о состоянии деревьев. Все деревья на пробных площадях нумеруются от центра к периферии слева направо (т. е. по ходу часовой стрелки). Используется радиальная система картирования деревьев. Дерево идентифицируется с помощью указания породы, его положения и размеров. Если используется отличающийся от градусной системы способ, это указывается в форме (например, 1/400; 1/6400; 1/6000 и т.

д.). Указывается расстояние от центра пробной площади до центра дерева.

Диаметры деревьев измеряются в двух направлениях: по радиусу пробной площади и перпендикулярно к этому радиусу.

Кроме этого, приводится характеристика деревьев по ряду не измеряемых показателей. В их число входит, в частности, положение дерева в пологе (доминирующее, угнетенное, занимающее пограничное положение). Указывается статус дерева: живое, упавшее, мертвое, отсутствующее (только для случая повторных измерений). На центральной пробной площади в систематическом порядке отбираются модельные деревья, по которым будут устанавливаться объемы стволов, а также соотношение протяженности кроны и высоты ствола. Поэтому для каждого из них измеряется высота ствола и высота расположения нижней части кроны. На сателлитных пробных площадях измеряются только диаметры деревьев и характеризуется их положение в пологе. Минимальное количество модельных деревьев устанавливаются в зависимости от количества деревьев на пробной площади (табл. 3).

Модельные деревья предлагается отбирать по 5-сантиметровым классам толщины деревьев на высоте 1,3 м. В качестве модельных отбираются только живые деревья. В число модельных обязательно включают пять самых крупных по размерам деревьев на пробной площади. Остальные деревья отбираются, как указывалось выше, в систематическом порядке в зависимости от общего количества деревьев на пробной площади. Так, при количестве деревьев на пробной площади 200 и более отбирается каждое четвертое дерево. При количестве деревьев 7099 каждое второе и т. д. В 5-сантиметровых градациях предпочтение отдается более крупным по размерам деревьям.

Таблица 3. Нормативы количества модельных деревьев на пробной площади Для мертвых деревьев целесообразно принять следующую классификацию: крона полностью отмерла, корневая система полностью отмерла, связь между кроной и корневой системой нарушена (ствол сломан или корни оборваны, кора полностью разрушена).

Внешнее описание деревьев дополняется характеристиками: упавшее дерево;

наклонившийся или искривленный ствол; слом ствола, при этом корни и пень в почве; фаутное дерево (гниль ствола, корней); повреждения ствола; слом вершины; изменение вершины, двух- или многовершинность; сброс листьев или хвои с живых ветвей из-за внешних причин; изменение цвета хвои и листьев вследствие недостатка элементов питания, заболеваний, заморозков или аэротехногенного загрязнения; опадение ветвей, если это не типично для данной породы.

По возможности для мертвых деревьев необходимо указывать время, прошедшее с момента повреждения: менее чем 5 лет назад; 510 лет назад; более чем 10 лет назад. При этом для мертвых деревьев целесообразно отметить фазу, в которой они находятся:

- дерево мертво, некоторые листья или хвоинки все еще прикреплены к ветвям;

- хвоя и листья отсутствуют, кора прикреплена;

- кора частично или полностью отсутствует;

- ствол частично высох или разложился;

- покрытие мхами и разложение упавших деревьев или обломков ствола;

- порода не может быть установлена (мониторинг дерева прекращается).

В качестве причин повреждения деревьев могут быть указаны: ветер, ветровал, бурелом, заморозки, пожары, снеголом, снеговал, затопление, подтопление, недостаток элементов питания, конкуренция, лесозаготовки, другие антропогенные воздействия, деятельность кротов, лосей и т. д.

При наличии специалистов в области фитопатологии и энтомологии целесообразно отметить повреждения, вызванные короедами, большим сосновым долгоносиком, еловым типографом и другими насекомыми вредителями леса, а также грибные заболевания, такие как рак сосны, древесные гнили, сосновый вертун, ржавчинные грибные заболевания.

В системе комплексного мониторинга лесов одним из компонентов является система гидролесомелиоративного мониторинга. Такая система предполагает составление банка данных на переувлажненные земли и все гидролесомелиоративаные системы. Система гидролесомелиоративного мониторинга включает в себя периодическое обследование гидролесомелиоративных систем во время очередного лесоустройства или при единовременной инвентаризации, дистанционное изучение, аналитическое моделирование состояния осушительной сети и осушаемых объектов, оперативное внесение изменений. Сопоставление аналитических данных с результатами натурного обследования на местности с использованием дистанционных методов изучения позволит назначать необходимые мелиоративно-технические и лесохозяйственные мероприятия, а также корректировать их. Создание подобной системы возможно только при применении программных средств, использующих ГИС-технологии.

Использование геоинформационных систем в планировании работ по гидролесомелиорации переувлажненных земель осуществляется в строгом соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Состав проектно-изыскательских работ включает в себя лесоводственно-мелиоративные, почвенно-грунтовые обследования, гидрологические изыскания. В соответствии с рекомендациями по осушению лесных земель, лесоводственномелиоративные обследования проводятся путем сбора и изучения материалов лесоустройства, аэрофотоснимков, топографических, почвенных, климатических, геологических, гидрологических и других карт, выявления гидролесомелиоративного фонда и предварительного распределения его по очередям мелиоративного освоения с выделением участков для строительства осушительной сети по материалам лесоустройства, сбора материалов по торфяному фонду обследуемой территории.

В результате общих лесомелиоративных обследований получают следующие материалы для составления схемы: план лесонасаждений гидролесомелиоративного фонда в масштабе 1 : 100000 с водоприемниками, границами гидрологических участков и дополнительный план лесонасаждений для первой очереди строительства в масштабе 1 : 25000, ведомости-характеристики насаждений гидролесомелиоративного фонда, материалы по торфяному фонду обследуемой территории.

Площадь гидролесомелиоративного фонда в составе переувлажненных земель по отдельным объектам гидролесомелиорации с применением ГИСтехнологий устанавливается путем суммарного накопления площадей, пригодных для проведения гидролесомелиоративных работ. Работа выполняется с помощью повыдельных электронных карт участковых лесничеств по таблицам атрибутивной информации, в основу которых положено повыдельное таксационное описание.

В связи с тем, что основным принципом гидролесомелиорации является комплексное проведение лесохозяйственных и природоохранных мероприятий, необходимо учитывать наличие охраняемых природных объектов и территорий, последствия влияния на них изменения гидрологического режима прилегающих территорий. Факт установления непосредственного влияния на объекты данной категории осушения соседних территорий является бесспорным основанием для исключения территории из площади гидролесомелиоративного фонда. Вопрос исключения определенной площади, прилегающей к охраняемым природным объектам, должен решаться с учетом статуса охраняемой территории, ее ландшафтного размещения, зоны влияния осушительной мелиорации на окружающие земли. С учетом этого устанавливается буферная зона охраняемого природного объекта, которая также подлежит исключению из площади гидролесомелиоративного фонда. Исключаются насаждения и верховые болота низкой эффективности осушения, ягодники хозяйственного значения, небольшие по площади разрозненные участки.

Градация пригодности конкретного таксационного выдела для проведения в нем осушения проводится с учетом сочетания типа условий местопроизрастания и группы типов леса. Данные показатели определяются в ходе очередного лесоустройства для каждого таксационного выдела. В первую очередь к таким выделам относятся земли высокой лесоводственной эффективности осушения, вырубки, гари с молодняками средней эффективности осушения. Выбранные площади целесообразно объединять по объектам мелиорации в соответствии с геоморфологией территории. На данном этапе возникает необходимость использования электронных топографических карт, как и на этапе проектирования сети каналов. Топографические карты с сечением рельефа 2 м позволяют не только решать вопрос о принадлежности выдела к единому ландшафту, но и проектировать элементы осушительной сети. Определение площади водосбора позволяет оценить объемы воды, проходящие через водоприемники. Объекты привязываются к конкретным водоприемникам с учетом их пропускной способности. В результате геоморфологической разбивки участка обычно появляется необходимость дополнительного исключения ранее отобранных участков, которые будут находиться за пределами зоны действия проектируемой осушительной сети.

Сочетание различных электронных картографических материалов на территории проектирования осушительных работ с еще более разнообразной пообъектной информационной базой и возможностями ГИС-технологий делают этот инструмент наиболее удобной и незаменимой частью проектирования. Математические возможности электронных таблиц, возможность использования материалов космической и аэрофотосъемки, визуальное наблюдение за пространственным размещением объекта работ, определение площадей графических объектов, функции запросов, тематическое раскрашивание карт, произвольный масштаб печати повышают производительность труда проектировщика, дают возможность отказаться от изготовления промежуточных материалов проектирования, уменьшают объем бумажной работы.

Для решения задач лесного мониторинга широкое применение нашел метод исследования, основанный на анализе динамики радиального прироста, позволяющий также оценивать величину прироста по запасу. При использовании этого показателя необходимо учитывать, что более достоверным показателем продуктивности является площадь поперечного сечения годичного кольца, а не его ширина. Уменьшение радиального прироста не обязательно приводит к уменьшению площади поперечного сечения годичного кольца, а значит, и к уменьшению объемного прироста. В отдельных случаях может наблюдаться и обратная зависимость. Исследование изменчивости радиального прироста, выполненные на тест-объектах, показали, что в высокопродуктивных ельниках, сформировавшихся после рубки материнского древостоя в 20-е годы прошлого столетия, динамика этого показателя в основном определяется кривой возрастного развития. В табл. 4 приведены зависимости между величиной объемного периодического прироста отдельного дерева и приростом по площади поперечного сечения ствола на высоте 1,3 м.

Таблица 4. Зависимость объемного периодического прироста отдельного дерева (Y, м ) от прироста по площади поперечного сечения на высоте 1,3 м (Х, см ) Сосняк травяно-сфагновый Сосна 0,00053 +0,00028 0,91 0,22 0, Такие зависимости позволяют в конечном счете оценивать динамику и изменение под воздействием внешних факторов важного таксационного признака прироста древостоя и насаждения по запасу.

1. Дайте понятие мониторинга.

2. Что такое лесной мониторинг?

3. Опишите значение лесоводственных и таксационных методов исследования для целей лесного мониторинга.

4. Программные продукты, используемые для целей лесного мониторинга.

5. Мониторинг изменений лесного фонда.

6. Мониторинг динамики насаждений под влиянием антропогенного воздействия.

7. Применение методов дендрохронологии для целей лесного мониторинга.

ГЛАВА 4. ГИС В ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Традиционно основой лесохозяйственных исследований являются лесоводственные и таксационные методы. В связи с этим кратко остановимся на их характеристике. Таксационное описание насаждений выполняется общепринятыми в лесной таксации методами. Типы леса принимаются по типологии В. Н. Сукачева, классы бонитета для незадержанных в росте насаждений определяются по шкале М. М. Орлова, а в случае антропогенного воздействия – по специальным бонитировочным шкалам.

При описании строения, структуры и анализе возрастной структуры используются как постоянные, так и временные пробные площади. Более предпочтительно использование больших по размерам пробных площадей (1 га и более). Однако следует учитывать, что увеличение размеров пробной площади приводит к трудностям в связи с необходимостью обеспечения однородности лесорастительных условий. Поэтому пробная площадь размером 0,25 га может отразить видовой состав, строение и структуру, тип леса не менее точно, чем площадь в 1 га. На практике это может быть учтено путем разделения наиболее крупных по размерам пробных площадей на 24 секции на основе сравнения характера напочвенного покрова, положения частей пробной площади в рельефе местности и результатов глазомерной таксации. В дальнейшем секции объединяются или используются в качестве самостоятельных учетных единиц на основе анализа сходства таксационных показателей древостоев, полученных при перечислительной таксации на секциях.

По условию обеспечения требований к точности таксации по элементам леса в сплошном перечете должно быть не менее 250 деревьев основного элемента леса. Это позволяет в определенных условиях уменьшить размеры пробных площадей. Согласно руководству по закладке постоянных пробных площадей, в ненарушенных лесах размеры центральных пробных площадей (в кластере из пяти пробных площадей) в зависимости от количества деревьев на 1 га могут изменяться от 0,25 до 0,09 га, а крайних (сателлитных) пробных площадей от 0, до 0,015 га. С учетом указанных положений размеры прямоугольных пробных площадей на объектах исследования составляли 0,20,7 га. При оценке изменчивости таксационных показателей древостоев на трансектах возможна закладка круговых пробных площадей по 300 м2, а также закладка основных прямоугольных и круговых пробных площадей на различном расстоянии друг от друга. На данных пробных площадях выполняются лесоводственное и таксационное описания насаждений по общепринятым методикам. На части трансекты на середине отрезков между основными пробными площадями могут быть заложены дополнительные круговые пробные площади, на которых устанавливаются сумма площадей сечения полнотомером и густота деревьев перечетного размера на единице площади дифференцированно по древостоям элементов леса.

В связи с необходимостью изучения возрастной структуры древостоев большое значение имеют методические вопросы определения возраста подроста, отдельных деревьев и поколений, слагающих древостой. Литература по данному вопросу обширна, поскольку решаемая проблема актуальна при разработке классификаций возрастной структуры, оценке прироста древесины, решении ряда других теоретических и прикладных вопросов лесоводства и лесной таксации. Возраст ели, пихты и тонкомерного кедра может быть определен с помощью возрастного бурава. Керны для определения возраста древостоя элемента леса берутся у 35 деревьев средних ступеней толщины на высоте корневой шейки. Для толстомерных деревьев кедра с сердцевинной гнилью возраст рассчитывается на основе данных о ширине годичных колец живой древесины. На отдельных пробных площадях могут быть изучены внешние признаки возраста ели и решен вопрос о возможности его установления глазомерным путем.

При построении шкалы глазомерного отнесения ели к условно одновозрастным 40-летним поколениям для принятых градаций по толщине стволов и высоте верхней границы зоны с пластинчато-трещиноватой корой возраст определяется по 35 кернам, взятым на высоте корневой шейки, или модельным деревьям. Общее количество определений возраста ели для построения такой шкалы – 150200. На основе установленных закономерностей ценопопуляция ели разделяется на 40-летние условно-одновозрастные поколения (разряды возраста). Это позволяет выполнить перечет, а в дальнейшем анализ двухмерных распределений по возрасту и размерам деревьев с включением в таблицу подроста. Такой подход позволяет избежать анализа усеченных рядов и сделать реалистические выводы о структуре и динамике ценопопуляции. Следует подчеркнуть, что в данном случае термин «поколение» следует использовать условно – для естественно обычно не отграниченных 40-летних возрастных групп деревьев.

При работе в насаждениях в хозяйственных лесах с целью сравнения с данным показателем в девственном лесу возраст древостоев элементов леса определяется так же, как и в ненарушенных древостоях. Кроме этого, здесь на каждой пробной площади целесообразно брать в среднем по 25 кернов на высоте 1,3 м у деревьев различных ступеней толщины для оценки степени хозяйственного воздействия.

Учет естественного возобновления древесных пород проводится по группам высот: до 0,5; 0,51,5; более 1,5 м. Учетные площадки размером 2 2 м закладываются по периметру пробных площадей таким образом, чтобы общая площадь учетных площадок соответствовала рекомендуемому проценту выборки или превышала его.

При математическом описании взаимосвязей может быть использован регрессионный анализ. Первичная обработка данных и их анализ выполняются по стандартным алгоритмам и программам на ПЭВМ. В случае необходимости используются специальные методики.

Изложенные методические подходы традиционны для лесоводственных и таксационных исследований в России. В то же время попытки учесть функциональные особенности насаждений предполагают включение методов исследования радиационного и водного режимов, температурного режима и режима влажности воздуха, режима питания и т. д.

В перспективе при решении вопросов оценки, выделения, охраны и мониторинга лесных земель все более широкое применение будут находить компьютерные технологии. Это связано с необходимостью оперативного учета таких площадей и оценки их состояния. В природоохранной и лесохозяйственной практике наиболее широкое применение компьютерные системы находят при разработке таксационных и картографических баз данных, разработке электронных карт. Последнее прямо связано с реализацией идей ГИС-технологий.

Как указывалось выше, географическая информационная система это система для ввода, хранения, обработки, анализа и предоставления географически определенной информации. База данных обычно состоит из большого количества картографических слоев, оцифрованных изображений и различного рода атрибутивной информации (таблиц и описаний).

С помощью ГИС могут быть получены данные в виде лесных карт, таблиц, таксационных или других описаний. Для насаждений в среде ГИС могут быть сформированы описания насаждений с характеристикой древостоев элементов леса, ярусов и насаждения в целом, выполнены любые выборки насаждений по заданным таксационным характеристикам, сформированы отчеты по специальным вопросам, например, выводу карт с дифференцированием площадей по типам и группам типов леса, составлены прогнозы по динамике таксационных показателей с течением времени. В связи с этим аналитический блок профессиональной ГИС должен включать соответствующий компонент программных модулей. Необходимо учитывать, что используемые системы позволяют работать с массивами данных в электронных таблицах, что расширяет возможности анализа данных, объединенных в этих массивах.

Геоинформационные системы могут быть использованы при реализации программы лесного мониторинга, для оперативного обновления данных о состоянии насаждений, других компонентов лесных биогеоценозов. Обследования могут проводиться как единовременно, так и в процессе инвентаризации лесов при лесоустройстве, а результаты таких обследований отражаются на электронных картах и в соответствующих таблицах и описаниях. Геоинформационные системы позволяют также оперативно обновлять информацию о лесных непокрытых лесом площадях, нелесных землях, особо охраняемых природных территориях и т. д.

В базах картографических данных ГИС-информация организована в виде отдельных картографических слоев, привязанных к единой системе геодезических, географических или условных координат, административных границ, дорожной и гидрографической сети, населенных пунктов. При хранении картографических слоев в виде электронных файлов компьютерных баз данных детальность представления информации определяется конфигурацией компьютерной системы и возможностями программного обеспечения. Однако, в любом случае, необходимо учитывать, что из базы данных можно извлечь информации столько, сколько в ней заложено первоначально, а в дальнейшем дополнено или уточнено.

Из определения геоинформационных систем следует, что ГИС-технологии могут служить в качестве эффективного средства решения всех видов лесоводственных и таксационных задач. Несмотря на то, что многие из перечисленных вопросов могут быть решены на основе обычных планов лесонасаждений и тематических карт, входящих в проект организации и развития конкретного лесничества, следует признать, что при использовании ГИС-технологий запросы могут быть реализованы значительно быстрее, чем при традиционном способе; вероятность ошибок, связанных с субъективными факторами, существенно снижается. Уточнение границ лесных участков, их близости к путям транспорта, контроль площадей вырубок, оценка санитарного состояния лесов, площадей ветровалов, буреломов, гарей вот далеко не полный перечень вопросов, которые могут быть решены в производственных и исследовательских целях на основе ГИС-технологий. Применение ГИС в лесохозяйственных исследованиях практически не ограничено.

Применительно к территориям, на которых располагаются опытные и учебные объекты кафедры лесного хозяйства Сыктывкарского лесного института, в качестве демонстрационных могут быть использованы электронные карты и атрибутивная информация в виде повыдельной базы данных лесничеств Комитета лесов Республики Коми.

Освоение программных продуктов ГИС-технологий предполагает организацию соответствующего обучения. Это, в свою очередь, является самостоятельной и достаточно сложной задачей, т. к. предполагает наличие учебной базы, лицензионных программных продуктов, обновляемых в соответствии с условиями компаний, поставляющих эти продукты, подготовленных преподавателей. Как отмечалось выше, в Сыктывкарском лесном институте в рамках специальности «Лесное хозяйство» проводится подготовка будущих инженеров лесного хозяйства по специализации «Аэрокосмические методы и средства исследования лесных ресурсов на базе ГИС-технологий». На 4 и 5 курсах дневного отделения специальности «Лесное хозяйство» проводятся занятия по дисциплинам «Геоинформационные системы», «Автоматизированное дешифрирование аэрокосмических изображений», «Лесное картографирование на базе ГИС», «Ведение лесного хозяйства на базе ГИС».

Идея применения геоинформационных систем в лесном хозяйстве и лесохозяйственных исследованиях плодотворна. Использование ГИС-технологий для накопления первичной обработки и последующего анализа данных, несомненно, будет содействовать выполнению задач объективной оценки, обоснованного принятия решений по сохранению и рациональному использованию лесных ресурсов республики. В связи с тем, что атрибутивная информация не всегда отражает текущие таксационные характеристики насаждений ввиду трудности получения данных о лесах в отдаленных районах, определенное значение приобретает использование для этих целей данных дистанционного зондирования.

Получение информации о лесах относительно нетрудоемкими методами, снижение детальности информации при обеспечении ее оперативности, достоверности и сопоставимости возможно при использовании дистанционных съемок и на основе технологии автоматизированной обработки спутниковых изображений. На основе указанных методов успешно выполняется контурное дешифрирование лесных объектов по космоснимкам. В то же время классифицирование объектов с разделением их на лесные и нелесные, покрытые и непокрытые лесом земли еще не достаточно для количественных оценок конкретных объектов, таких, как покрытые или непокрытые лесом площади. Последнее возможно при наличии региональных зависимостей, например, между оценками снимков и характеристиками насаждений, вырубок, гарей, прогалин и т. д.

Это, в свою очередь, предполагает наличие тест-объектов.

Тест-объекты, представленные лесными покрытыми лесом землями, – это участки с насаждениями, для которых наземным способом инструментально определены таксационные показатели. Кафедрой лесного хозяйства Сыктывкарского лесного института формируется система тест-объектов, которая может быть использована для отработки методики по решению аналогичных задач.

Постоянные пробные площади закладываются в насаждениях основных лесообразующих пород в наиболее типичных лесорастительных условиях региона.

Размеры пробных площадей в основном 50 50 м, площадь таких опытных участков достаточна для достоверного определения таксационных характеристик насаждения. Как правило, такие пробные площади внутренне однородны и отражают видовой состав и условия роста окружающих лесов. Часть опытных участков представлена существующими ранее пробными площадями, на которых проводились лесоводственные и таксационные исследования В табл. приведен фрагмент базы данных, использованных для этих целей.

площади пробной Номер Для сравнения с таксационными характеристиками использовали средневзвешенные значения пикселов, полученных на основе черно-белого космоснимка Landsat TM с пространственным разрешением 30 м от 28.07.1992 г. Учитывая разновременность закладки опытных объектов и времени съемки, актуализировать таксационные показатели насаждений в соответствии с методикой, официально используемой для аналогичных целей при отводе и таксации лесосек. Пространственная привязка векторизированного планшета с границами пробных площадей к космоснимку выполнена в среде ArcMap-ArcInfo на основе изображения в 5 канале снимка. В среде ArcMap были получены значения пикселов в 17 каналах в границах пробных площадей. Средневзвешенное значение пикселов для пробных площадей находили через площадь каждого пиксела (или его части) и его значение (табл. 6).

Таблица 6. Средневзвешенные значения пикселов в 17 каналах для пробных площадей 6–24 в Сыктывкарском лесничестве Примечание. X1Х7 средневзвешенные значения пикселов в каналах 17.

В результате исследования зависимости между средневзвешенными значениями пикселов и отдельными таксационными показателями получена матрица коэффициентов корреляции, позволяющая оценивать тесноту и направление связи между данными показателями (табл. 7).

Анализ данных табл. 7 показывает, что для черно-белых снимков наиболее информативны оценки значений интенсивности пикселов применительно к таким таксационным показателям, как доля ели и березы, доля темнохвойных и мягколиственных пород в составе яруса (для отдельных каналов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах). Взаимосвязь между долей темнохвойных пород в составе насаждений на тест-объектах (Y) и значениями пикселов на космоснимке (X) может быть описана уравнением:

Таблица 7. Матрица коэффициентов корреляции между значениями пикселов в 17 каналах и отдельными таксационными показателями насаждений X X X X14 0,45 0,56 0,57 0,78 0, Примечание. X8, X9, X10, X110, X12, X13, X14 – соответственно доля ели, березы, осины, пихты, сосны, доли темнохвойных пород, доли мягколиственных пород в одноярусном насаждении.

Взаимосвязь между долей мягколиственных пород (Y) и значениями пикселов на космоснимке (X) может быть описана уравнением:

Полученные уравнения и аналогичные им зависимости могут быть использованы при дешифрировании состава покрытых лесом лесных площадей в Сыктывкарском лесничестве Республики Коми и сопредельных с ним территорий.

Приведенные уравнения применимы в условиях, когда величина прироста с учетом отпада изменяется в пределах от 1,5 до 3 м3/га. Возможность получения этих оценок связана с проведением на тест-объектах повторных перечетов.

Ценность полученных данных определяется отсутствием аналогичных региональных количественных оценок. Учет естественного возобновления подтвердил известное положение о высокой вариабельности показателей общей густоты, густоты по породам, категориям крупности и жизнеспособности. В связи с этим достоверные оценки изменения данных показателей возможны не менее чем через период, соответствующий классу возраста.

Примером целесообразности совместного использования ГИС и данных дистанционного зондировании Земли являются результаты исследований, выполненных по материалам Ухтинского и Кедвинского участкового лесничества Ухтинского лесничества. Данные космосъемки Кедвинского участкового лесничества были использованы для оценки состава насаждений на основе сравнения материалов лесоустройства и характеристик космоснимков 4. На территории объекта исследования лесоустройство проведено в 1996 г. Данные лесоустройства представлены в виде цифровой карты базового масштаба 1:25000, в условной системе координат. Лесоустроительная карта была разделена на два не перекрывающихся участка. Первый участок был использован в качестве основного и включал 748 лесных выделов, второй использовался в качестве дополнительного участка для уточнения отдельных положений и выводов и содержал 5470 выделов. Для проверки регрессионных уравнений использовали цифровые лесоустроительные карты участка, расположенного в Сюзьюнском участковом лесничестве Ухтинского лесничества и включающего 4500 выделов. Лесоустройство выполнялось по III разряду. Для выполнения работы были использованы два снимка, полученные спутником Ресурс-01 № 3 (камера МСУ-Э) в 1996 и 1998 гг. Достигнута удовлетворительная степень совмещения снимков по твердым контурам (дорогам, просекам) с лесоустроительной картой.

К основным лесообразующим породам, произрастающим на территории Республики Коми, относятся ель, сосна и береза. На территории опытных участков, кроме указанных пород, в незначительных количествах произрастают также кедр, пихта, лиственница. По данным лесоустройства, примесь указанных пород до 20 % от состава общего запаса имеется только на 5 % всех участков. Имеется 6 участков (менее 1 % от их количества), на которых в качестве основной породы указана лиственница. С учетом хозяйственного значения перечисленных пород они были объединены в группы темнохвойных, светлохвойных и мягколиственных пород. В группу темнохвойных пород включили ель, пихту и кедр, в группу светлохвойных сосну и лиственницу, а в группу мягколиственных березу, осину и иву.

Решение поставленной задачи заключалось в установлении математикостатистических зависимостей линейной регрессии вида:

где Yn = Y1, Y2, Y3 – зависимые переменные, характеризующие соответственно суммарное участие в составе насаждения светлохвойных пород (сосны и лиственницы), темнохвойных пород (ели, пихты и кедра), мягколиственных пород (березы, осины и ивы); X1, X2, X3 независимые переменные, соответствующие спектральным яркостям, измеренным по космическому снимку соответственно в первом, втором и третьем каналах; An, Bn, Cn, Dn коэффициенты уравнения.

Средние значения спектральной яркости и дисперсии величин спектральной яркости для первого, второго и третьего спектральных каналов были получены путем автоматизированной совместной обработки космических снимков и цифровой повыдельной карты. В результате была разработана математикостатистическая модель, имеющая вид:

Серов А. В., Попова О. И., Пахучий В. В. Опыт определения состава насаждений по космическим снимкам // FrcReview – современные геоинформационные технологии. 2005. № 3 (34). С. 11.

где е1е3 остатки, случайная составляющая с независимыми значениями.

В качестве дополнительного условия, вытекающего из принципа построения формул состава яруса, можно принять следующее:

Средняя ошибка оценки находится в пределах точности указания участия пород в составе яруса при высокой значимости регрессии для темнохвойных и мягколиственных пород и низкой значимости для светлохвойных пород. Учитывая соотношение (3), можем принять допустимым проведение расчета Y2 и Y3 по уравнениям (1) и (2) и нахождение Y1 по уравнению (3) путем преобразования:

Проверка полученных результатов на контрольном участке местности в Сюзьюнском лесничестве Ухтинского лесничества показала умеренные расхождения между предсказанными значениями и данными лесоустройства для группы темнохвойных пород и более высокое расхождение для группы мягколиственных пород. Причины расхождений могут быть связаны с влиянием неучтенных факторов, а также невысоким III разрядом лесоустройства для рассматриваемой территории.

Анализ графиков стандартизированных отклонений показывает, что линейная регрессия в целом достаточно хорошо описывает исходные данные, но для более точного описания необходимо использовать кривые третьего и более высокого порядка.

При планировании подобных исследований на перспективу необходимо учитывать следующее. Методы анализа и картографирования лесного фонда вообще и малонарушенных насаждений в частности во многом определяются доступностью и точностью используемых материалов. Основными преимуществами данных дистанционного зондирования, по сравнению с традиционными источниками информации, являются относительно низкая стоимость данных, их оперативность и обзорность данных при сохранении достаточной подробности изображения, возможности перехода от детализации к генерализации данных, снижении времени и трудозатрат на обработку данных.

Необходимо также учитывать, что снимки должны иметь достаточное спектральное разрешение для выявления различных типов растительности и породного состава насаждений. Минимальными условиями является наличие съемки в красном и ближнем инфракрасном диапазоне. Желательно наличие безоблачного покрытия снимков на исследуемую территорию. Если планируется сравнение снимков, то снимки должны быть сделаны в одно время года, желательно в период вегетации. Для Республики Коми это июнь август. Определенное значение имеет стоимость одного космоснимка. С учетом заданных условий, рассматриваемым целям исследования удовлетворяют сканерные космические снимки, полученные с ресурсных спутников. Они сочетают достаточно высокое пространственное и спектральное разрешение с регулярностью получения изображений и относительно низкой стоимостью (снимки сканеров NOAA/AVHRR и SPOT4/Vegetation с разрешением 1 км/пиксель и Terra/MODIS с разрешением 500 м/пиксель). Недостатком этих снимков является низкая детальность изображения. Для решения отдельных задач лесного картографирования возможно использование сканерных снимков высокого разрешения (от до 40 м/пиксель). Широкое распространение имеют снимки, сделанные сканером ТМ (ЕТМ+) спутников Landsat-4, -5 и -7. Космические снимки Landsat- ETM+ имеют пространственное разрешение 30 м/пиксель (15 и 7 спектральные каналы) и 15 м/пиксель (панхроматический канал) и размеры сцены 185 185 км. Сканер ЕТМ+ определяет яркость отраженного света в 6 спектральных каналах в видимой части спектра (13), ближнем (4), среднем (5, 7) инфракрасном диапазоне и тепловой области спектра. Достаточно высокое спектральное разрешение и совокупность каналов позволяет использовать снимки Landsat при проведении лесного мониторинга, оценке породного состава насаждений, картировании и мониторинге других, не лесных, объектов. Источники космической съемки высокого разрешения не всегда обеспечивают покрытие интересующей территории (снимки сканеров МСУ-Э, IRS/LISS, Terra/ASTER) или отличаются высокой стоимостью (SPOT и IRS).

Одним из методов оценки насаждений и составления лесных карт является экспертное визуальное дешифрирование космических снимков среднего и высокого разрешения. Автоматизированное дешифрирование выполняется с использованием соответствующих лицензионных программных средств. Совмещение материалов и данных дистанционного зондирования, построение карт и анализ результатов проводятся с использованием географических информационных систем ArcView, ArcInfo (ESRI), ERDAS Imagine.

При работе с объектами, представляющими потенциально малонарушенные лесные территории, важной задачей анализа снимков является выявление источников постоянной антропогенной нагрузки (дороги, шоссе и т. д.), а также нарушений на удаленных от таких источников территорий. Для таких целей могут использоваться цветовые, морфологические и текстурные характеристики выделов на снимках. Цветовые признаки могут быть использованы для характеристики породного состава насаждений, морфологические для выделения вырубок, гарей, хозяйственных объектов и др., текстурные при использовании снимков среднего и высокого разрешения.

При выявлении и исключении из дальнейшего рассмотрения участков со следами антропогенных и техногенных нарушений могут быть использованы космические снимки среднего и высокого разрешения (если они доступны).

Полезными могут оказаться зимние снимки, позволяющие более надежно разделять лесные покрытые и непокрытые лесом земли и нелесные территории, определять сомкнутость насаждений. На таких снимках более светлые участки представляют безлесные территории, наиболее темные сомкнутые хвойные леса, а также лиственные леса с сомкнутым подростом хвойных пород. При использовании зимних снимков следует учитывать, что наиболее информативным в данном случае является 4 канал, а также то, что различия между отдельными каналами зимнего снимка незначительны. Об использовании снимков, сделанных в период вегетации древесных растений, говорилось выше. Отметим, что они могут использоваться при оценке состава насаждений и общих характеристик насаждений, таких, как преобладающая порода, класс возраста, класс бонитета, тип леса.

Ниже приводятся примеры решения прикладных и исследовательских задач, решаемых на основе ГИС.

Базы данных по учебным и опытным объектам на основе ГИСтехнологий. Сочетание электронных карт и атрибутивной информации, представленных в ГИС среде, позволяет решать широкий спектр вопросов исследовательского характера, включающих предварительную оценку полученных данных, специальный анализ, моделирование и т. д. Примером такой базы данных могут служить электронные карты с нанесенными на них опытными объектами (пробными площадями на участках с рубками ухода, лесными культурами, мерами содействия естественному возобновлению, осушенных лесных землях и др.) и характеристика опытных объектов в виде таблиц с таксационной характеристикой насаждений на пробных площадях.

При разработке баз картографических и таксационных данных студенты закрепляют данные, полученные, прежде всего, в курсе лесной таксации и лесоустройства. Наряду с пробными площадями в качестве первичной лесохозяйственной учетной единицы используются таксационные выделы, имеющие характеристику в таксационном описании и изображенные на планшетах лесоустройства. В базе данных по пробным площадям, выделам могут содержаться сведения об их площади, характеристике рельефа, составе пород, возрасте, высоте, диаметре, полноте, запасу, классу бонитета, типу леса, типу лесорастительных условий, описанию элементов леса, ярусов и общей характеристики насаждений, товарности, степени повреждения почв, насаждений и другие сведения.

Электронные карты создаются на основе имеющихся планово-картографических материалов, данных натурных лесоустроительных работ и камерального дешифрирования аэрофото- и космических снимков. Планово-картографические материалы включают планшеты лесоустройства, планы лесонасаждений участковых лесничеств, карты-схемы районных лесничеств, тематические карты.

Лесоустроительный планшет – это первичный документ, составленный с использованием геодезических данных или топографической основы. Масштаб (1:10 000) (1:25 000). Другие планово-картографические материалы составляются на основе содержания планшетов и их уменьшения до нужного масштаба.

Лесоустроительный планшет содержит изображения: квартальных просек и границ кварталов; границ таксационных выделов; питомников, лесосеменных участков; особо защитных участков леса; границ полос отчуждения магистральных транспортных путей; площадей, переданных в долгосрочное пользование; лесных дорог, троп; ручьев, рек, гидромелиоративных каналов, озер; бровки оврагов и обрывов; номера кварталов; названий рек, озер и больших ручьев;

границ административных районов; категорий защитности лесов; контор лесохозяйственных и лесозаготовительных предприятий, лесничеств, лесопунктов, кордонов, зимовий и других строений.

План лесонасаждений это схематическая карта, характеризующая качественную структуру земель и насаждений лесного фонда по лесничествам. Изготавливается на основе плана лесничества, в масштабе (1:25 000) (1:50 000), путем окраски каждого выдела по преобладающим породам и группам возраста. На план наносятся также лесные непокрытые лесом площади (вырубки, гари, пустыри, прогалины, редины), а также нелесные земли (болота, водоемовы, сенокосы, сады, дороги, населенные пункты, плантации и др.). Таксационная характеристика выдела выражается формулой, в числителе которой номер выдела и класс возраста, группы запаса, в знаменателе площадь и класс бонитета. Для вырубок и гарей в формуле указываются год вырубки или пожара и тип вырубки (гари).

Карта-схема районного лесничества (масштаб 1:100 000) предназначена для представления обобщенных характеристик лесного фонда. На карте-схеме отображаются: покрытые лесом земли, участки сомкнувшихся и несомкнувшихся лесных культур, окрашенные по преобладающим породам и группам возраста; лесные не покрытые лесом земли, нелесные земли, границы областей;

границы административных районов, районных лесничеств; границы участковых лесничеств и смежных землепользователей; границы площадей, отличающихся по целевому и народнохозяйственному назначению; границы лесосечного фонда; земли, переданные в долгосрочное пользование; квартальные просеки и номера кварталов; населенные пункты; конторы районных и участковых, лесничеств, предприятий по переработке древесины; реки, озера; пути сообщения, лесовозные и другие дороги; тропы.

В качестве тематических карт-схем могут составляться карты, отражающие размещение эксплуатационных лесов, мероприятия по охране и защите леса, например карты противопожарных мероприятий районного лесничества. В этом случае карта-схема составляется в масштабе карты-схемы районного лесничества, на ней кварталы или выделы изображаются разными цветами в зависимости от классов пожарной опасности по природным условиям с нанесением контор участковых лесничеств, районного лесничества, склада противопожарного инвентаря, маршрутов наземного и (или) авиационного патрулирования, участков с пожароопасными хвойными молодняками, противопожарных разрывов, пожарных наблюдательных вышек и т. д.

Выявление гидролесомелиоративного фонда и предварительное распределение его по очередям мелиоративного освоения по материалам лесоустройства. Предлагаемое использование сочетания программных средств с ГИС в планировании работ по гидролесомелиорации переувлажненных земель лесфонда приведено в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. Состав проектно-изыскательских работ включает в себя: лесоводственно-мелиоративные, почвенно-грунтовые обследования, гидрологические изыскания. Лесоводственные и мелиоративные обследования проводятся путем выявления гидромелиоративного фонда и предварительного распределения его по очередям мелиоративного освоения с выделением участков для строительства осушительной сети.

Градация пригодности конкретного таксационного выдела для проведения в нем осушения проводится с учетом сочетания типов условий местопроизрастания по П. С. Погребняку и групп типов леса В. Н. Сукачева. В первую очередь к таким относятся земли 1-й и 2-й группы лесоводственной эффективности осушения, вырубки, гари с молодняками 3-й и 4-й группы эффективности осушения. Объекты перспективной гидромелиорации формируются в районах с преобладанием наиболее отзывчивых на осушение насаждений, где осуществляется достаточно интенсивное лесное хозяйство или лесопользование. Выбранные площади объединяются по объектам мелиорации в соответствии с геоморфологией территории. Отдельно расположенные участки из перспективного гидромелиоративного фонда исключаются.

Применение слоя рельефа топографических карт с сечением рельефа два метра позволяет решать вопрос о принадлежности выдела к единому ландшафту, проектировать элементы осушительной сети, рассчитывать объемы земляных работ, выбирать оптимальный вариант размещения регулирующих осушителей и каналов проводящей сети. Определение площади водосбора позволяет оценить объемы воды, проходящие через водоприемники. Объекты привязываются к водоприемникам с учетом их пропускной способности.

Определение зоны влияния проектируемых каналов и эффективности осушения. Исследовательская работа по определению эффективности осушительных работ по истечении 25–30 лет позволяет определить величину текущего среднепериодического прироста запаса насаждений по типам леса. Все пробные площади имеют пространственную привязку и набор характеристик.

Средствами ГИС вдоль каналов могут быть выделены зоны с одинаковой лесоводственной эффективностью осушения с дифференцированием по типам леса и удаленности от каналов. Метод позволяет подойти к определению лесоводственного эффекта гидромелиоративных работ в целом по лесничеству и лесхозу. На основании полученных данных может быть принято решение о корректировке расчетной лесосеки по лесничеству.