Выполнение лесотаксации на основе данных дистанционного зондирования

Постановление Правительства РФ от 18 июня 2007 г. № 377 «О Правилах проведения лесоустройства»

Министерство природных ресурсов Российской Федерации Приказ от 6 февраля 2008 г. № 31 «Об утверждении лесоустроительной инструкции»

Лесотаксация на основе дистанционной информации и трехмерных моделей рельефа.

 Проблема.  Традиционная лесотаксация опирается на представление о существовании в природе однородных по состоянию растительности территорий (выделов) с объективно существующими границами.   Выделы могут быть типизированы, и принимается, что у всех выделов, принадлежащих к одному типу существуют одинаковые лесорастительные условия. В задачу лесотаксатора входит однозначное выделение границ, оценка лесохозяйственных характеристик внутри выдела и выделение их типов как основы  для экстрополяции лесорастительных условий и схем роста леса. Границы выделов определяют по аэрофотоснимкам 1: 7000 – 1:15000. Оценку лесохозяйственных характеристик осуществляют количественными методами или визуально для некоторой выборки и визуально интерполируют на основе подобия изображения на аэрофотоснимке.

В соответствие с существовавшими правилами секретности все картографические материалы относятся к категории схем и составляются на искаженной топографической основе М 1:100 000. При такой основе постулируемый минимальный выдел в 0,1 га картографически не обеспечен, как и не может быть обеспечена желаемая ошибка при обрисовки по аэрофотоснимку выдела. Современная теория и практика показала, что четкие границы, разделяющие на поверхности земли разные состояния растительности – частный случай. Растительный покров и в том числе его лесохозяйственные характеристики является одновременно и непрерывным и дискретным (фрактальность). Как следствие однозначное определение границ невозможно и два лесотаксатора для одной территории составят разные лесотаксационные планы, существенно различающиеся в деталях и совпадающие лишь в общих чертах. При этом определить величину ошибки теоретически невозможно.  Для общей региональной оценки древесных ресурсов эта технология обеспечивала приемлемую точность, так как обобщение больших массивов данных автоматически снижает влияние множества частных ошибок с разными знаками. При плановом хозяйстве ошибки лесотаксации не имели существенного значения, так как планы строились, исходя, в первую очередь, из технических возможностей и большие запасы спелых и перестойных лесов в основных лесопромышленных регионах обеспечивали их выполнение.  В условиях рыночного использования лесных ресурсов при очень небольшом запасе спелых лесов и их территориальной разобщенности требования к качеству лесотаксации неизбежно увеличиваются.

Следует отметить, что на ряду с описанным выше методом лесотаксации применявшемся в СССР в США, Канаде, и других странах применялся статистический метод,  при котором или закладывались пробные площадки по регулярной схеме и полученные на их основе данные интерполировались с помощью количественных методов, или по аэрофотоснимку оценивалось количество и соотношение пород для  определенного квадрата – принимаемого как минимальная хозяйственная единица (в США 40 акров).  Эти методы при их не высокой точности весьма дорогостоящи и их реализация для обширных территорий России малореалистична.

 В рамках решения общей задачи оценки и картографирования экосистемных услуг как составной части ландшафтоведения и ландшафтного планирования была разработана технология лесотаксации, сочетающая в себе стандартные полевые измерения с использованием дистанционной мультиспектральной информации и трехмерных моделей рельефа.

Метод исходит из того, что

  1. Мультиспектральная дистанционная информация дает измерения важнейшей функции экосистемы: использования солнечной энергии для формирования биологической продукции, саморазвития и поддержания своей структуры. При этом спектральные характеристики поглощения энергии весьма чувствительны как к текущему состоянию растительности, так и к влажности и трофности почв.
  2. Трехмерная модель рельефа позволяет через специальные переменные и в первую очередь уклон и форму поверхности для микро, мезо, макрорельефа отразить перераспределение влаги, как важнейшего фактора определяющего состав и продуктивность растительности.

Таким образом, дистанционная информация и разномасштабные трехмерные  модели рельефа дают хорошую основу для применения статистических методов интерполяции на всю территорию результатов измерения на пробных площадках. Интерполяции строится на основе многомерных методов статистики и в первую очередь на основе дискриминантного и мультирегрессионного анализа. На этой основе получаем оценки как значений всех таксируемых переменных, для каждой точки пространства так и соответствующие ошибки. Последние имеют прямую связь с экономическими оценками эффективности использования конкретных ресурсов в конкретных точках.

Качество интерполяции существенно улучшается при использовании дистанционной информации за разные сезоны года.

Дистанционные спутниковые данные существуют в различных масштабах. Часто предпочтения отдаются съемке с очень высоким разрешением (больше 10 м на местности). В действительности существует достаточно однозначная связь между целями и предпочтительным масштабом. В лесу радиус взаимодействия деревьев составляет примерно половину их средней высоты, то есть около 20-30 м. Это типичные размеры так называемых биогрупп.  Биогруппа не может быть единицей лесохозяйственного использования, так как соизмерима с элементарным вывалом дерева внутри древостоя. Соответственно,  хозяйственная единица должна объединять несколько бигогрупп и иметь площадь не менее одного га. Таким образом,  оптимальным для лесного хозяйства разрешение 20х20 – 40х40м на местности. Это соответствует разрешению спутника Landsat. Следует отметить, что спектральные характеристики Landsat оптимальны для задач лесотаксации, но эта система исчерпала свои ресурсы и пока не заменена на свой аналог. Вместе с тем  спутники SPOT, Aster и др. могут быть использованы для тех же целей.

Более крупные масштабы съемки целесообразны для обеспечения  ведения лесопаркового и паркового хозяйства, при проектировании рекареационных систем, в сельском хозяйстве и т.п.

Необходимо отметить, что с увеличением масштаба в геометрической прогрессии растет стоимость дистанционной информации и стоимость ее обработки.

 Общая схема осуществления лесотаксации на основе дистанционной информации.

  1. Подготовительный этап

                Приобретение сцен дистанционной информации за последние 3-5 лет для территории, желательно по всем спутниковым системам.

                Оцифровка топографических карт масштаба 1:10 000 – 1:25 000 (рельеф, гидросеть)

                 Предварительная аналитический многомерный анализ дистанционной информации, позволяющий определять пространственную изменчивость биологической продуктивности, структуры растительности, содержания влаги в растительности и в среде,  и на основе классификации выделить типы состояния поверхности земли с их физическими характеристиками. Эта информация необходима для оптимизации плана полевых измерений по критерию минимум затрат-максимум информации.

                Построение трехмерных моделей рельефа, оценка параметров его иерархической организации, построение карт типов рельефа для оптимизации сбора полевых данных.

  2. Полевые работы

    Проведение полевых измерений по стандартной схеме существующей лесотаксации (круговые площадки, применение релаксометра, описание состояния недревесных ресурсов и т.п.) с привязкой каждого измерения к географической системе координат с помощью GPS. Практика показывает, что на 100 кв. км. в зависимости от сложности территории  достаточно  100-200 описаний. Время,  затрачиваемое на каждое описание - 45 мин. Бригада из трех человек обычно за день может выполнить 5-7 описаний. Соответственно затраты на 100 кв км составляют около 60-150 человеко-дней. При лесотаксации участковых лесничеств в сходных ландшафтных условиях объем необходимой выборки на единицу площади уменьшается.

    Предварительный анализ по основным параметрам. Полевые данные обрабатываются на месте и определяется качество интерполяции по важнейшим переменным. Статистические методы позволяют осуществить интерполяцию результатов полевых измерений на всю территорию и выявить точки, для которых велика ошибка интерполяции. Каждому полевому описанию ставится в соответствие независимые переменные, определяемые дистанционной информацией и рельефом. На основе статистически доказанной количественной связи между точечными измерениями в поле и этой независимой информацией для всей территории осуществляется интерполяция. Значительные ошибки интерполяции обычно связаны с граничными и переходными областями, но иногда ошибки могут иметь принципиальное значение. Анализ пространственного распределения ошибок определяет дополнительный сбор корректирующей полевой информации. Обычно это не более 15-20 дополнительных описаний. Полевые работы считаются законченными, если достигнуты возможные уровни точности и природа ошибок определяется объективной неполнотой дистанционной и геоморфологической информации относительно реального разнообразия свойств леса.

  3. Камеральный этап

    Осуществляется окончательная обработка и интерполяция по всем видам ресурсов.

    Составляются в базе данных таксационные таблицы в традиционном формате.

                Строится оперативная ГИС, отображающая изменение в  пространстве любого вида ресурсов или любого свойства леса, для расчета различных схем лесопользования; разрабатываются стандартные планы ведения хозяйства интегрируемые в ГИС.

    В принципе ГИС позволяет получить все лесохозяйственные характеристики для любого выделяемого участка как единицы ведения хозяйства.

 

ЧТО НУЖНО ДЛЯ ДДЗ ТАКСАЦИИ

  1. Получить карто схему  участковых лесничеств.
  2. Выбрать экспериментальное лесничество. Критерии – разнообразие, хозяйственная важность, оперативная доступность, возможность проживания, социальная обстановка. Консультации со специалистами на местах и с региональным управлением.
  3. Оцифровать карты рельефа масштаба 1:10 000 – 1:25 000 для избранного лесничества.
  4. Приобрести все возможные дистанционные данные с масштабом 20-30 м на местности за последние 3-5 лет за все сроки наблюдений. (Методическая проверка эффективности использования данных различных спутниковых систем). То же для ЦЛГЗ как постоянного экспериментального объекта.
  5. Провести предварительный оперативный анализ для рельефа и дистанционки.