Принципы организации дистанционного мониторинга лесов и его задачи

В условиях возрастающего значения лесов для природы и об­щества, а также усиливающегося антропогенного воздействия на лесные ландшафты особенно остро встает задача рационального использования и воспроизводства лесных ресурсов и их полезных свойств. Как считает В.И. Сухих (1990), для успешного решения этой задачи прежде всего необходимы надежные, точные и опе­ративные данные о состоянии лесных угодий и существенных изменениях, происходящих в лесных экосистемах.

К наиболее известному способу оперативного получения ин­формации о статике и динамике крупных лесных массивов отно­сится широкое использование материалов аэрокосмических съе­мок и автоматизированных методов обработки и анализа посту­пающих данных.

Начало применения аэрометодов для изучения и картографи­рования лесов в бывшем СССР относится к 20-м годам, а с конца 70-х годов в производственную практику активно внедряются методы, предусматривающие проведение космических съемок.

Имеющиеся данные убедительно доказывают эффективность таких подходов к решению задач по изучению, картографирова­нию лесов и контролю за их состоянием. Это достигается при комплексном использовании материалов авиационных и косми­ческих съемок. При этом наиболее продуктивно аэрокосмическая информация может применяться при осуществлении специализи­рованного мониторинга.

Аэрокосмический мониторинг лесов следует рассматривать как совокупность дистанционных и наземных методов получения информации об их состоянии, основных экологических и ресурс­ных функциях (Сухих, 1990).

Сбор данных в рамках системы аэрокосмического мониторин­га лесов (AKMJI) проводится на различных уровнях. Первая (об­зорная) ступень наблюдений - дистанционное зондирование с автоматических и пилотируемых космических летательных аппа­ратов (КЛА), которое должно обеспечивать регулярный - не реже раза в год, а в отдельных случаях (например, для обнаружения лесных пожаров) даже 2-3 раза в сутки - контроль над всей тер­риторией лесфонда, который предполагает распознование всех необходимых природных и антропогенных объектов, интерпре­тацию их свойств и комплексную оценку возможных экологиче­ских нарушений.

Основу дистанционного зондирования с КЛА применительно к задачам мониторинга лесов составляют космические многозо­нальные сканерные съемки высокого разрешения (10-50м). Они позволяют в сжатые сроки получать информацию о значительных территориях и одновременно выявлять важные изменения коли­чественных и качественных характеристик лесных ресурсов на относительно небольших площадях (до 1-10га).

При изучении и картографировании лесов, слежении за дина­микой лесных экосистем на ограниченных территориях (напри­мер, при контроле за выруокои лесной растительности в опреде­ленных районах) могут также использоваться космические фото­съемки (спектрозональные или многозональные) высокого раз­решения (5-20 к) и ИСЗ серии «Космос». Как показывают прове­денные исследования, весьма полезной оказывается и оперативно передаваемая по радио с долговременных орбитальных станций (ДОС) тематическая информация, собираемая космонавтами при осуществлении по заданиям с Земли инструментально-визуальных наблюдений за конкретными объектами и процессами.

Вторая ступень мониторинга лесов - авиационная (аэросъемки и аэровизуальные наблюдения), третья - наземные обследования. Указанные мероприятия проводятся только для сбора данных, отсутствующих в материалах дистанционного зондирования с KJIA. Задача ставится таким образом, чтобы аэрокосмические измерения обеспечивали получение основного объема информа­ции, а наземные обследования осуществлялись лишь при нехват­ке или низкой разрешающей способности данных дистанционно­го зондирования. Иными словами, в подобной ситу ации фактиче­ски применяется оптимизационная модель: минимум затрат труда и финансовых средств - максимум необходимой информации.

По данным В.И.Сухих, для решения ряда научно-практических проблем вполне достаточно космической информации, в других случаях дистанционное зондирование с KJIA осуществляется в комплексе с аэросъемками (масштаб 1:500 - 1:100000), а нередко дополнительно проводятся и наземные обследования. При вы­полнении некоторых видов работ, требующих детальной инфор­мации, первая (космическая) ступень наблюдений исключается, а используются данные, получаемые только аэро- и наземными ме­тодами.

Организация мониторинга лесов требует развития специаль­ной географической информационной системы (ГИС). Геоин­формационная система (ГИС) - автоматизированная система, ориентированная на решение проблем мониторинга окружающей среды, планирования и управления ресурсами и обеспечивающая ввод, хранение, доступ, анализ и вывод информации о Земле. Она включает в себя базы картографических, таксационных и других данных, согласованных во времени в пространстве и характери- зирующих лесной фонд в статике и динамике. Наличие баз дан­ных обеспечивает всесторонний анализ имеющихся материалов о лесном фонде и выдачу соответствующих сведений в картогра­фической, статической, текстовой или иной форме (на бумажных носителях или экране дисплея) для управления лесохозяйствен- ным производством, осуществления многоцелевого лесопользо­вания, решения задач охраны окружающей среды.

Для эффективного функционирования системы мониторинга лесов создаются банки данных различных уровней:

а) детальные (повыдельные), содержащие информацию по ка­ждому таксационному выделу, которая собирается при инвента­ризации лесных насаждений, в том числе картографические ма­териалы в масштабе лесоустроительных планшетов (в большин­стве районов России - 1:10000 - 1:25000, в северно-восточной части страны - 1:50000 - 1:100000);

б) локальные, содержащие генерализованную информацию для карт масштаба 1:200000 - 1:500000 (в картографии под термином «генерализация» понимается отбор главного, существенного и его целенаправленное обобщение, предполагающее отображение объектов на карте соответственно ее значению, тематике и мас­штабу в пределах нескольких относительно крупных выделов - лесных кварталов, урочищ и т.д.);

в) региональные, содержащие генерализованную информацию для карт масштаба 1:2500000 - 1:5000000.

Специальная ГИС предоставляет возможность посредством анализа материалов аэрокосмических съемок выявлять и фикси­ровать в базе данных различные изменения, происходящие в лес­ном фонде в результате антропогенных воздействий и экологиче­ских нарушений, пожаров, повреждения лесов насекомыми- вредителями, болезнями, ветровалами и т.п. Для решения указан­ной задачи предусмотрен ввод в базу данных всей картографиче­ской информации в единой системе координат, привязанной к топографической основе. Это позволяет переносить в автомати­зированном режиме на топографические карты границы лесного фонда, лесохозяйственных предприятий, лесничеств, кварталов, таксационных выделов, а соответствующие цифровые данные включать в единую общегосударственную ГИС.

Поскольку база общегосударственной ГИС содержит информа­цию всех землепользователей о геологическом строении, рельефе, водных объектах, почвах, растительности, дорожно-транспортной сети и т.д. (иными словами, цифровую модель территории страны), то лесохозяйственная информационная система может по запросам получать для своих нужд цифровую топографическую основу и необходимые сведения о состоянии окружающей среды.

В рамках аэрокосмического мониторинга лесов должны ре­шаться следующие главные задачи:

• изучение и картографирование лесных земель (обновление кадастра лесных ресурсов);

• охрана лесов от пожаров;

• оценка санитарно-лесопатологического состояния лесных экосистем;

• контроль за лесопользованием и другими видами хозяйст­венной деятельности;

• всесторонний учет различных изменений в лесном фонде, обусловленных естественными и антропогенными факторами.

Изучение лесных земель традиционно осуществляется в про­цессе лесоустройства, которое включает мероприятия по органи­зации территории (в частности, проведение границ, прокладка квартальных просек) и таксацию лесов на основе сочетания на­земных обследований с дешифрированием крупно- и среднемас- штабных аэрофотоснимков (1:10000 - 1:20000), а также создание лесных карт масштаба 1:10000 - 1:25000.

Лесоустройство обеспечивает получение необходимых сведе­ний о динамике лесного фонда. Вместе с тем, оно весьма трудо­емко и требует значительных производственных затрат. Хотя на территории бывшего СССР лесоустройство осуществляется еще с середины прошлого века и в настоящее время к этой работе при­влечено около 10000 человек, детальные и надежные данные име­ются менее чем о 60% общей площади лесного фонда (700 млн. га).

Задачи изучения лесного фонда и обновления накопленных данных успешно решаются средствами аэрокосмического мони­торинга на основе широкого использования материалов дистан­ционного зондирования и проведения постоянной инвентариза­ции лесных ресурсов в условиях функционирования совмещен­ных банков картографической и таксационной информации.

В северных, северо-восточных и других районах России, не охваченных лесоустройством (обследования лесов выполнялись здесь еще в 40-е - начале 50-х гг. упрощенными, недостаточно надежными аэровизуальными и аэротаксационными методами), изучение лесного фонда осуществляется с помощью фотостати­ческих методов инвентаризации, базирующихся на дешифриро­вании космических снимков.

При фотостатической инвентаризации удается получить пол­ный набор картографических, лесоучетных и иных материалов, использующихся при реализации мероприятий по охране лесов, организации и ведению лесного хозяйства, планированию лесоза­готовок и т.д. По уровню детализации и надежности указанные материалы обычно являются вполне адекватными для достиже­ния намеченных целей.

Космические снимки также успешно применяются при прове­дении повторных лесоустроительных работ в таежной зоне: по­ступление оперативной информации гарантирует постоянное об­новление картографических, лесоучетных и проектных материа­лов в соответствии с требованиями лесоустройства при значи­тельном сокращении затрат труда и финансовых средств.

Уточнение данных лесоустройства и инвентаризации лесных ресурсов в условиях функционирования совмещенных банков картографической и таксационной информации обеспечивается за счет своевременного анализа текущих изменений в лесном, фонде, выявленных путем дешифрирования аэрокосмических снимков высокого разрешения в сочетании с организацией ограни­ченных наземных обследований или аэровизуальных наблюдений.

В рамках аэрокосмического мониторинга лесов на основе ис­пользования данных дистанционного зондирования с KJIA можно решать и задачи составления серии сопряженных многоцелевых и тематических мелкомасштабных лесных карт, которые необхо­димы различным учреждениям и ведомствам для осуществления специальных прогнозных разработок, а также мероприятий по планированию и освоению территории лесного фонда.

Применение космических снимков и совмещенных банков картографической и таксационной информации позволяет уско­рить и автоматизировать процесс создания тематических карт, повысить их качество и, как следствие, снизить производствен­ные затраты лесоустроительных работ, особенно в малоизучен­ных и труднодоступных районах.

Охрана лесов от пожаров, причиняющих огромный ущерб биоценозам (в 2002 году доля погибших насаждений от лесных пожаров составила 288 тыс. га, или 85,4% от обшей площади по­гибших насаждений, а общая площадь погибших насаждений со­ставила 334,6 тыс. га) - одна из главных задач лесного хозяйства.

Традиционные методы охраны лесов от пожаров основывают­ся на авиационном и наземном патрулировании лесных массивов. В пожароопасный период организуется поиск очагов загорания, эффективность которого оставляет желать лучшего. Применение спутниковой информации позволяет намного повысить эффек­тивность мероприятий по охране лесов от пожаров. При этом наи­более значительные результаты могут быть достигнуты посредст­вом регулярных аэрокосмических съемок лесных территорий.

Для обеспечения эффективной охраны лесов от пожаров необ­ходима обширная информация о состоянии лесного фонда, в ча­стности, нужны карты лесных ландшафтов и информация о нали­чии в них горючих материалов, районировании территорий по степени пожарной опасности. В рамках аэрокосмического мони­торинга лесов подготовка подобных карт может осуществляться в процессе лесоустройства, создания и пополнения банков данных различных уровней.

По мнению специалистов, дистанционное зондирование целе­сообразно использовать прежде всего для решения трех ключе­вых лесопожарных задач:

• наблюдения за сходом снежного покрова, фенологическим состоянием лесов, общей, метеорологической обстановкой, влажно­стью горючих материалов и нарастанием степени пожарной опас­ности лесных территорий;

• обнаружение и оценка параметров лесных пожаров при любом состоянии атмосферы;

• прогнозирование распространения огня по элементам ландшафта и слежение за динамикой лесных пожаров.

Для решения указанных задач в Институте леса им. В.Н. Су­качева СО РАН создана и действует автоматизированная система «Прогноз», состоящая из трех подсистем: спутникового опера­тивного контроля, самолетного зондирования, наземного центра приема и обработки информации.

Спутниковые методы наблюдения применяются для оператив­ной оценки общей метеорологической и пожарной обстановки, обнаружения лесных пожаров и слежения за их динамикой.

Самолетное зондирование осуществляется в целях выявления очагов загорания и детальной оценки пожарной опасности (осо­бенно в условиях значительной облачности и задымления терри­тории), картографирования и диагностики лесных пожаров. Об­работанная аэрокосмическая информация, передаваемая в назем­ный центр по радиоканалам, анализируется с помощью ЭВМ; на основе полученных результатов составляются оперативные и долгосрочные прогнозы, производится расчет необходимых ма­териально-технических ресурсов для предупреждения и ликвида­ции пожаров. Соответствующие данные направляются затем ле- сохозяйственным органам для использования в практической деятельности.

В последние годы санитарно-лесопатологическое состояние многих лесных экосистем стремительно ухудшается. Ущерб, на­носимый лесам насекомыми-вредителями, сопоставим с потеря­ми от лесных пожаров. Значительное неблагоприятное влияние на лесные насаждения оказывают также ветровалы, буреломы, усиливающееся загрязнение атмосферы (кислотные дожди). По­этому к числу важнейших задач аэрокосмического мониторинга лесов относятся оперативный учет и прогнозирование массового размножения насекомых-вредителей, оценка степени поврежде­ния лесной растительности в результате выброса загрязняющих веществ в воздушный бассейн, выявление других негативных процессов, слежение за локализацией и ликвидацией потенци­ально опасных естественных и антропогенных воздействий на лесные ландшафты.

Одна из основных особенностей защиты таежных лесов от насе­комых вредителей - необходимость контроля за их численностью на огромных территориях. Институтом леса им. В.Н.Сукачева СО РАН разработан ландшафтно-ключевой дистанционный метод изучения наиболее опасного вредителя - сибирского шелкопряда. Данный метод предусматривает выделение ареалов, наиболее благоприятных по своим экологическим условиям для перехода популяций вредителя в фазу вспышки. Реконструкция динамики очагов насекомых в пределах системы природных комплексов (в сочетании с традиционными методами прогноза) позволяет осу­ществлять вероятностный контроль за численностью насекомых- вредителей и исключает внезапность их массового размножения.

Зоны повреждения древесной растительности в результате стихийных бедствий (ветровалы, буреломы) также приурочены к определенным типам лесных насаждений и экологическим усло­виям, а деградированные вследствие загрязнения атмосферы лес­ные массивы находятся обычно вблизи крупных городов и про­мышленных центров. Поэтому наличие в банке данных карт са- нитарно-лесопатологического состояния лесных экосистем, мест размножения насекомых-вредителей и прогнозных районов воз­можного развития неблагоприятных природно-антропогенных процессов позволяет с помощью целого ряда дистанционных и наземных методов своевременно обнаружить возникновение по­добных явлений и до минимума сократить ущерб, причиняемый лесным ландшафтам.

12.2. Аэрокосмическиймониторинг лесов какинструмент рационального использования естественных ресурсов

Природный потенциал многолесных районов долгие годы весьма интенсивно осваивается человеком. Для обеспечения про­мышленной эксплуатации лесов за лесозаготовительными пред­приятиями на длительный период закрепляются лесосырьевые базы, где необходимо организовать лесосберегающее рациональ­ное использование естественных ресурсов и соблюдать научно обоснованные нормы антропогенных нагрузок на лесные ланд­шафты, гарантирующие стабильность экологической обстановки.

Запасы древесины в сырьевых базах обычно качественно не­однородны и ограниченны. Поэтому концепция лесосберегающе- го рационального использования естественных ресурсов преду­сматривает проведение строго нормированных рубок для обеспе­чения равномерной заготовки древесины на протяжении всего периода промышленной эксплуатации лесов (в идеале не менее 80-100 лет).

Однако нередки случаи, когда лесопромышленная деятель­ность преследует сиюминутные сугубо ведомственные интересы: в наиболее доступных районах допускаются перерубы расчетных лесосек для получения максимального объема качественной дре­весины с минимальными затратами, вырубаются самые ценные древостой, грубо нарушаются экологические принципы лесо­пользования. Подобная практика наносит огромный ущерб как природе, так и хозяйству.

Но это только один аспект проблемы. Концепция лесосбере- гающего рационального использования естественных ресурсов предполагает создание в сжатые сроки вместо вырубленных ле­сов новых лесных насаждений, в экономическом и экологическом отношениях отвечающих целям развития экономики и охраны природы конкретных территорий. Однако указанная задача дале­ко не всегда решается удовлетворительным образом: довольно часто лесосеки в ценных хвойных массивах зарастают листвен­ными породами, в горных районах и в зоне вечной мерзлоты на вырубках активизируются эрозионные процессы и другие небла­гоприятные явления. Поэтому мероприятия по контролю за лесо­пользованием должны предусматривать анализ соблюдения дей­ствующих правил и нормативов, динамики лесовозобновления и предупреждать нежелательную смену древесных пород и нару­шение экологической обстановки. Эффективность такого контро­ля значительно повышается с использованием космических снимков (Сухих, 2005)

Лесные ландшафты претерпевают значительные трансформа­ции в результате осуществления строительных работ, развития горнодобывающей промышленности, усиления и учащения лес­ных пожаров, повреждения древостоев насекомыми-вредителями, загрязняющими веществами и т.д. Традиционные методы изуче­ния лесов не позволяют оперативно фиксировать большую часть подобных экологических нарушений. Вместе с тем, сведения обо всех природных и антропогенных изменениях лесных экосистем необходимы для того, чтобы в процессе эксплуатации естествен­ных ресурсов уменьшить наносимый им ущерб, ликвидировать последствия неблагоприятных воздействий, актуализировать и эффективно использовать статистическую информацию и мате­риалы тематического картографирования, хранящиеся в банках данных. В основу современных методов учета изменений в лес­ном фонде положены результаты дистанционного зондирования, в первую очередь - с ИСЗ и других КЛА.

Алгоритмическая структура автоматизированной системы контроля за лесопользованием включает в себя:

• предмашинный выбор обзорных фрагментов снимка и опор­ных точек, их ввод в систему обработки изображений и привязка к карте по опорным точкам;

• выявление на обзорных фрагментах снимка интересующих пользователей объектов, распределение рабочих фрагментов, их ввод в систему обработки изображений и совмещение с картой;

• предварительная обработка изображений рабочих фрагмен­тов снимка, обучение классификатора, сегментация и генерализа­ция изображений рабочих фрагментов;

• выявление изменений в площади вырубок, коррекция конту­ров изменившихся участков, предварительная оценка параметров вырубок и степени соблюдения правил рубок леса, кодирование и преобразование формата контуров изменившихся участков;

• трансформирование контуров изменившихся участков в кар­тографическую проекцию и вычисление их параметров;

• определение изменений в контурах выделов и внутриквар- тальная увязка площадей;

• вычисление изменений таксационных показателей;

• выявление нарушений правил лесопользования;

• актуализация баз данных и реализация запросов пользователей.

Непрерывное лесоустройство является составной частью мо­ниторинга лесных экосистем. Оно должно осуществляться по следующей схеме компьютеризации лесов:

а) лесничий, помощник лесничего, лесник проводят натурное обследование вырубок, гарей, лесных культур и других объектов, заполняют специальные карточки, которые поступают в лесхоз;

б) инженер лесного хозяйства лесхоза вносит изменения в ком­пьютер, анализирует данные и выдает рекомендации лесничему;

в) все изменения, происходящие в лесхозе за год, записывают­ся на дискеты и передаются в государственный орган лесного хозяйства, где опытные специалисты на основе анализа измене­ний дают соответствующие рекомендации лесхозам.

Реализация первого этапа зависит от точности исходных дан­ных, полученных при устройстве лесов обычным способом и чет­кости картографических материалов.

Опыт ведения непрерывного лесоустройства с использованием спутниковой информационной системы "СЛОТ" имеют органы управления лесного хозяйства Республики Коми, которые взаи­модействуют с информационным центром ВНИИЦлесресурс и шведской космической корпорацией «С ATE J1J1 ИТ-БИЛ Д- АКЦИЕБОЛАГ».

Обязательным этапом лесоустройства должно стать создание картографической (на уровне планшета) и таксационной баз дан­ных, объединенных в единый банк, на что требуется 7-9 лет.