Мониторинг состояния лесов.

Мониторинг состояния лесов. Реферат скачать бесплатно.

Фрагменты работы:

Введение
Актуальность темы. Леса России имеют важное социально-экономическое и экологическое значение. Они представляют собой источник ценных ресурсов, обеспечивают сохранение в связанном состоянии значительной части мирового запаса углерода, выступают в качестве экологического каркаса для сохранения биоразнообразия экосистем, а также выполняют множество других биосферных функций.
Необходимость осуществления регулярного мониторинга состояния лесов обусловлена их непрерывной динамикой вследствие влияния природных и антропогенных факторов (таких как пожары, вырубки, техногенные загрязнения и некоторых других), масштабы, проявления которых существенно варьируют в зависимости от региона. В частности, леса Тверской области испытывают на себе сильное антропогенное влияние, обусловленное близостью к крупным городам. Это выражается в высоком уровне загрязнения атмосферы и почвенного покрова, изменениях гидрологического режима при строительстве дорог и прокладке коммуникаций, вырубке лесов в целях последующей застройки территории, повышенной рекреационной нагрузке, часто приводящей к пожарам.
Современный этап развития методологии мониторинга лесов с целью выработки стратегий рационального лесопользования и защиты окружающей среды предполагает в качестве обязательной компоненты использование методов дистанционного зондирования и геоинформационных систем (ГИС). Согласно современной концепции спутникового мониторинга лесов, выделяются глобальный, континентальный, региональный и локальный уровни наблюдения, различающиеся функциональными задачами, территориальным охватом, а также требованиями к пространственной и тематической детальности получаемой информации. В настоящее время для осуществления мониторинга лесов на глобальном и континентальном уровнях преимущественно используются данные низкого и среднего пространственного разрешения в диапазоне 250м – 1км (NOAA-AVHRR, SPOT-Vegetation, Terra/Aqua-MODIS и др.). В то же время при решении задач локального уровня (например, на уровне лесохозяйственных предприятий или административных районов) наиболее эффективно использование спутниковых данных высокого разрешения (20-40 м), к числу которых в частности относятся данные Landsat-TM/ETM+, SPOT-HRV/HRVIR и МСУ-Э/Метеор-3М. К особенностям регионального мониторинга лесов, охватывающего крупные административные (субъект РФ или административный округ) или природные (водосборный бассейн) территориальные образования, относится необходимость комбинированного использования спутниковых данных различного пространственного разрешения. Целью такого рода сочетания спутниковых данных различного разрешения является обеспечение полного территориального охвата региона спутниковым мониторингом при условии достаточного уровня тематической детальности и достоверности получаемых результатов.
При этом задача экологической оценки лесов региона требует обоснования соответствующих индикаторов, доступных для определения с использованием данных спутниковых наблюдений, и позволяющих оценивать структуру и состояние лесов с точки зрения эффективности выполнения ими средозащитных и биосферных функций в условиях возрастающего влияния антропогенной нагрузки.
Цель и задачи исследования. Основной целью работы региональная оценка экологического состояния лесов по данным спутниковых наблюдений и интеграция в ГИС. Достижение указанной цели потребовало решения следующих научных задач:
• проведение анализа возможностей современных спутниковых систем дистанционного зондирования в интересах решения задач экологического мониторинга лесов;
• Обоснование системы индикаторов экологического состояния лесов и разработка методики их оценки с использованием данных дистанционного зондирования различного пространственного разрешения и ГИС-технологий;
• Разработка методов предварительной и тематической обработки многоспектральных данных спутниковых наблюдений с целью оценки индикаторов экологического состояния лесов;
Дипломная работа изложена на 52 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 3 глав, списка литературы, приложений, содержит 11 рисунков, 7 таблиц, спутниковые снимки.

ГЛАВА 1. Изученность вопроса
1.1 Применение ГИС технологий в экологическом мониторинге лесов
Официальная история организации фундаментального лесопатологического мониторинга начинается в нашей стране в конце 1980-х годов, по принятии в Женеве Конвенции о трансграничном переносе загрязняющих веществ на приграничных территориях стран Балтики и разработки единой интернациональной методики мониторинга лесов. В 1987 г. Гослесхоз СССР взял на себя обязательство создать сеть постоянных пунктов наблюдения за состоянием лесов. А в 1990 г. был создан Национальный центр лесопатологического мониторинга, основной задачей которого была координация ведения мониторинга состояния лесов по программе ООН.
В большинстве европейских стран по этой программе были развернуты национальные системы мониторинга лесов, налажен регулярный сбор информации. На территории России мониторинг состояния лесов в то время получил достаточно ограниченное распространение – только в Калининградской, Ленинградской и Тульской областях.
В 1992 г. Россия подписала основные документы Конференции по окружающей среде в Рио-де-Жанейро, где была особо подчеркнута глобальная роль лесов для выживания и устойчивого развития человечества. Это послужило дальнейшим стимулом в развитии системы экологического мониторинга вообще и лесопатологического – в частности. Реализация единой научно-технической политики в сфере мониторинга лесов осуществляется во исполнение постановления коллегии Рослесхоза о принятии в 1993 г. «Основных положений по организации мониторинга лесов России». Государственная система лесного мониторинга на локальном, региональном и федеральном уровне рассматривалась в рамках Единой государственной системы экологического мониторинга. Проведение работ по лесному мониторингу возлагалось на Главное управление лесоустройства Рослесхоза и территориальные органы управления лесным хозяйством, а его правовой базой стал Лесной кодекс Российской федерации 1997 г. (ст. 69). В нем определено развитие мониторинга лесов в целях организации системы наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда для осуществления государственного управления в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов и усиления их экологических функций.
Опыт применения технологии ГИС и данных дистанционного зондирования (ДДЗ) в целях пространственного анализа состояния лесных ресурсов, создания карт результатов лесопатологического мониторинга показал, что при формировании системы информационного, в том числе картографического, обеспечения потребителей информации по лесопользованию в первую очередь необходимо разработать пакет нормативных документов, регламентирующих порядок и формы представления пространственной информации. Это позволит унифицировать информационные потоки, автоматизировать процессы их формирования и обработки.
Мировой опыт свидетельствует о необходимости широкого применения технологий дистанционного зондирования (как космических, так и авиационных), спутниковых навигационных систем и технологий ГИС в процессах сбора, обработки и анализа информации о лесных ресурсах. Естественно, в сочетании с данными аэровизуальных обследований и традиционными наземными методами лесопатологических исследований. Этот комплексный подход позволяет собрать большой массив актуальных данных и на его основе создавать точные достоверные карты, характеризующие состояние лесов, применять полученные результаты в процессах ведения государственного лесного кадастра, комплексного учёта и оценки природных ресурсов, управления лесопользованием, особо охраняемыми природными территориями и т.п.

Рис. 1. Аэрофотоснимок пораженного участка леса и результаты его полуавтоматической обработки.

ФГУ «Рослесозащита» уже применяет ГИС-технологии с использованием ДДЗ в своей работе. В Московской области в целях уточнения зон распространения короеда-типографа, определения фазы вспышек, пространственной локализации пораженных участков проведено авиационное сверхкрупномасштабное обследование ряда районов. Прошла экспериментальную апробацию технология аэровизуального обследования состояния лесных насаждений с фото- и видеосъемкой, привязкой съемки с использованием спутниковой навигационной системы и автоматизированной обработкой результатов. Пример исходного снимка (высота полёта 80 метров) и результат его обработки, позволяющий четко выделять пораженные насаждения с точностью до единичного дерева и автоматически подсчитывать размеры пораженной площади, приведен на рис. 1. Удалось также выявить процесс вторичного заболачивания и места вырубок. Полученные данные позволили подобрать метод обработки, позволяющий выявлять аналогичные объекты в полуавтоматическом режиме (рис. 2). На рис. 3 показаны еловые насаждения, в разной степени пораженные короедом-типографом. Такие повреждения на ранних стадиях, когда борьба с поражающими лес вредителями наиболее эффективна, с орбитальных комплексов в настоящее время не фиксируются. Геоинформационная система рабочего комплекса регистрирует маршрут полета, пространственные характеристики выявленных процессов и явлений и служит ценным источником информации для системы лесопатологического мониторинга и актуализации баз данных. В ходе работ выявлены пораженные участки леса, вплоть до полного усыхания, определены их площади и координаты, проведены полевые обследования, выданы рекомендации по борьбе с вредителем.

Рис. 2. Снимок вырубки и результат его полуавтоматической обработки.
Рис. 3. Аэрофотоснимок смешанного леса с ельником, пораженным короедом-типографом в разной степени, и результат его обработки.
Для решения задач оперативного контроля состояния окружающей среды, особенно тех её элементов, которые неудовлетворительно или ненадежно идентифицируются по ДДЗ с космических носителей, например при решении задач лесопатологического мониторинга (ЛПМ) по выявлению поврежденных насаждений на ранних стадиях, очевидно предпочтительное использование оперативных интерактивных авиационных методов мониторинга. Они доказали свою экономическую целесообразность при проведении нами локальных обследований.
Кроме того, в 2005-06 гг. проведены рекогносцировочные авиационные обследования. В ходе этих работ был накоплен опыт использования многоуровневых данных космической и аэросъемки. Спутниковые ДДЗ, такие как синтезированный снимок участка, представленный на рис. 4, позволяют существенно сократить объемы полевых наземных и авиационных обследований. По данной территории проведено рекогносцировочное авиационное обследование и детальные полевые работы. Было выявлено 2550 тыс.га еловых лесов с неудовлетворительным санитарным состоянием, в их числе усыхающих и погибших – 1711 тыс.га, общий отпад (IV-VI категории состояния) – 61%, текущий отпад (IV-V категории состояния) – 56% (в разных местах от 30 до 100%).[12]

Рис. 4. Космоснимок (фрагмент) территории с ярко выраженным усыханием лесов.
1.2 Лесопатологический мониторинг
Лесопатологический мониторинг (ЛПМ) – одна из главных функциональных задач органов управления лесным хозяйством. Объектом ЛПМ является весь лесной фонд России, вне зависимости от форм собственности на землю и лес. Решение комплекса задач ЛПМ на единой методической и технологической основе во всех лесах России осуществляет Российский центр защиты леса и его 40 филиалов.[15]
Целью лесопатологического мониторинга является получение и анализ информации о патологических (не прогнозируемых лесоустройством) изменениях в насаждениях в результате болезней, повреждения вредителями, усыхания и заболачивания в результате климатического и метеорологического воздействия, антропогенного химического и радиоактивного загрязнения и по другим причинам. Его результаты используются для обоснования принятия решений о необходимости проведения лесозащитных работ.
Причины неудовлетворительного санитарного состояния насаждений можно условно разделить на группы: биотические (пораженность древостоев корневыми гнилями, бактериальными и некрозно-раковыми заболеваниями, ветровал, бурелом, внутривидовая конкуренция, перестойность и т.д.), абиотические (переувлажнение, заболачивание, бедные почвы) и антропогенные (лесохозяйственная деятельность, пожары, последствия мелиорации, рекреационная нагрузка).[13]
А). Влияние биотических факторов
Зараженность древостоев гнилевыми и бактериальными болезнями распространена очень широко, в основном это корневая губка (Fomitopsis annosa), смоляной рак-серянка (Peridermium pini), опёнок осенний (Armillariella mellea), раневой рак и другие виды. Однако зараженность часто является лишь следствием первичного ослабления под воздействием более значимых факторов.
На практике первопричиной массовых усыханий становится периферическая гниль, на что указывает появление опенка, однако в большинстве случаев опенок является следствием, а не причиной. Основной биотической причиной усыхания может являться бактериальное поражение [15]. Бактериоз как первичный агент проявляется в форме сопряженной инфекции при таких болезнях, как корневая губка, голландская болезнь ильмовых, трахеомикоз дуба, эндотиевый рак каштана. В большинстве случаев эти и другие патологии распространяются по следам жизнедеятельности бактериоза. Сам бактериоз как агент, хотя и первичен, но также является внешним фактором по отношению к хозяину и, соответственно, зависит от эндогенного биоритма иммунитета хозяина. Периодические изменения устойчивости насаждений связаны с биологическими особенностями разных пород.
…

ГЛАВА 2. Методика проведения исследований и сбора материала

2.1 Анализ возможностей использования методов дистанционного зондирования для региональной оценки экологического состояния лесов
Тверская область относится к регионам с высокой плотностью населения и развитым промышленным потенциалом, что создает значительную антропогенную и рекреационную нагрузку на лесные экосистемы. Лес, как открытая экологическая система, находится в непрерывном взаимодействии с факторами окружающей среды, действие которых может отрицательно сказаться на жизнедеятельности лесного биогеоценоза. Поллютанты приводят к видимому ухудшению состояния деревьев, а также могут привести к существенной трансформации продуктивности и биоразнообразия лесных сообществ.
Технологии дистанционного зондирования открывают возможность создания систем мониторинга лесов, включая определение структуры насаждений, выявление крупномасштабных изменений в лесах в результате воздействия пожаров, вырубок и других возмущающих факторов, оценку индикаторов состояния лесной растительности. Как комплексная задача разработка методики региональной оценки экологического состояния лесов требует проведения многодисциплинарных исследований в области физических аспектов дистанционного зондирования, алгоритмов анализа спутниковых данных, методов пространственного моделирования и ГИС-технологий. При этом выбор объектов и режимов мониторинга лесов, а также набора измеряемых параметров, должен обеспечивать возможность их прямого или опосредованного использования для оценки индикаторов состояния лесных экосистем и их реакций на факторы негативного воздействия.
В ряде случаев проведение региональной экологической оценки состояния лесов, требует высокой детальности наблюдений при обеспечении их регулярности, что обуславливает целесообразность комбинированного использования материалов зондирования с различных спутниковых приборов. При этом, комбинация данных среднего (например, Terra/Aqua-MODIS) и высокого (например, Landsat-ETM+ или SPOT-HRV) пространственного разрешения является одним из путей оперативного получения сведений о количественных и качественных показателях состояния лесов с высоким уровнем точности по отдельным территориальным образованиям или региону в целом.
…

2.2 Картографирование лесов по многоспектральным спутниковым данным высокого пространственного разрешения

Выбранная методика региональной экологической оценки лесов предусматривает использование репрезентативной выборки данных спутниковых наблюдений высокого пространственного разрешения для классификации лесного покрова и оценки таких ключевых индикаторов как лесистость и доля чистых хвойных насаждений в составе покрытой лесом площади. Одним из широко используемых в настоящее время источников спутниковых данных высокого разрешения является портал программы Global Land Cover Facility (GLCF http: // glcf.umiacs.umd.edu). Отобранный из архива набор изображений Landsat ETM+ включал в себя пять спутниковых сцен с незначительным влиянием облачности и максимально возможно приближенных по фазе фенологического развития растительности. Схема покрытия области изображениями Landsat ETM+ представлена на рисунке 1 приложения.

Рис.6 Схема покрытия Тверской области данными Landsat-ETM+
Используемые в работе изображения были приведены в проекцию UTM на эллипсоиде WGS84, а уточнение их взаимной пространственной привязки производилось методом аффинных преобразований по опорным точкам в зоне перекрытия изображений с уровнем погрешности, не превышающей размера одного пикселя.
…
Заключение.

Данная работа содержит результаты, которые можно рассматривать как решение важной научной задачи по развитию методов мониторинга экологического состояния лесов по данным спутниковых наблюдений. По результатам можно сделать следующие основные выводы:
Современное состояние развития методов дистанционного зондирования обеспечивает возможность оценки характеристик состояния лесного покрова и создания системы регионального мониторинга лесов на основе комбинированного использования данных различного пространственного разрешения;
Методика региональной оценки экологического состояния лесов, предполагает использование спутниковых данных среднего и высокого пространственного разрешения (в частности, Terra/Aqua-MODIS и Landsat-ETM+) и направлена на определение индикаторов, отражающих покрытие территории лесами, породный состав насаждений и их физиологическое состояние, характеризуемое относительным уровнем концентрации хлорофилла и влагообеспеченности;
Использованный метод взаимной радиометрической нормализации различающихся по условиям съемки изображений Landsat-ETM+ повышает эффективность использования данных спутниковых наблюдений для региональной оценки состояния лесов;
Классификация лесов по многоспектральным спутниковым изображениям показала возможность выделения темнохвойных, светлохвойных, лиственных и смешанных лесов с достаточным уровнем достоверности;
Комплексное использование результатов классификации лесов по данным MODIS и Landsat-ETM+ обеспечивает эффективную возможность оценки лесистости, как одного из важнейших индикаторов экологического состояния лесов региона;
Анализ взаимосвязей между значениями вегетационных индексов NDVI и NDWI по данным MODIS и уровнем антропогенной нагрузки показал возможность их использования в качестве индикаторов состояния хвойных лесов;
Анализ сформированной по результатам обработки спутниковых изображений базы данных ГИС об индикаторах экологического состояния лесов Тверской области позволяет выявить территории с высоким уровнем угнетения лесной растительности.
До сих пор оценка состояния лесных ресурсов на основе системы статистических показателей является единственным элементом процесса подготовки и принятия управленческих решений в сфере лесного хозяйства и охраны леса. Несовершенство традиционных методов сбора и анализа информации, обеспечивающей управление природопользованием и контроль состояния окружающей среды, наиболее четко выявилось в процессе перехода к территориальному принципу управления природными ресурсами и природоохранной деятельностью. Оно усугубилось перманентной реорганизацией природоресурсных и природоохранных федеральных структур. В результате пока отсутствует реальная возможность мониторинга и регулирования природопользования на всех территориальных уровнях. Недостаточно эффективно функционирует система контроля природных ресурсов, оценки воздействия на окружающую среду, выявления прямых и косвенных зависимостей между различными факторами воздействия на среду. Не согласованы процедуры, форматы и порядок межведомственного и внутриведомственного обмена информацией. Надо признать, что в целом учет лесных ресурсов слабо удовлетворяет современным требованиям актуальности, оперативности и достоверности информации об их состоянии.
Для решения этой проблемы в ближней перспективе необходимо разработать подробные методические указания по составлению среднемасштабных и обзорных карт лесопатологического мониторинга с применением технологий дистанционного зондирования и геоинформационных систем. В них следует включить образцы оформления лесопатологических карт различных регионов и масштабов, алгоритмы, программы и инструкции по подготовке нестандартных цифровых картографических покрытий для системы охраны лесов. Это будет способствовать повышению эффективности организации управления системой охраны лесов от болезней и вредителей, совершенствованию технологий, стандартизации и унификации содержания, способов составления и редактирования карт в целях обеспечения совместимости и сопоставимости карт разных масштабов и территорий.
В связи с этим, предполагается следующая последовательность действий:
а) разработка блока ГИС обеспечения лесопатологического мониторинга, как пилотного экспериментального модуля;
б) разработка проекта федеральной ГИС ЛПМ, обеспечивающего согласование форматов данных и структур соответствующих хранилищ информации с инстанциями, контролирующими лесные ресурсы;
в) проведение работ по фактической разработке распределенной базы данных с привлечением Интернет-технологий, обеспечивающей доступ различных категорий пользователей и последующую интеграцию с другими источниками информации;
г) создание на основе Центра Рослесозащиты головного информационного центра, с помощью Веб-сайта которого можно было бы как обратиться к любым (в том числе ведомственным) первоисточникам, так и провести расширенный поиск данных либо их обработку по заданным признакам.
Совершенствование и устойчивое развитие системы подготовки и принятия решений в сфере охраны и защиты леса от болезней и вредителей может быть успешно реализовано при условии создания системы интегрированного анализа пространственной и временной информации о лесопатологическом и санитарном состоянии лесов. Эта система должна поддерживать автоматизированный сбор, хранение и обработку экологически значимой информации для оценки состояния и прогнозирования развития лесов, выявления тенденций как во времени, так и в пространстве.
В современных условиях развития России, предусматривающих коренную перестройку всего экономического механизма управления природно-ресурсным комплексом, необходимо обеспечить интерактивный доступ к огромным массивам информационно-аналитических материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Center ScanEx, Данные программы LANDSAT // Available from <#/www.scanex.ru/ru/data/default.asp?submenu=landsat&id=index>
2. Center ScanEx, Данные спектрорадиометра MODIS // Available from <#/www.scanex.ru/ru/data/default.asp?submenu=modis&id=index>
3. Dataplus, Изучение лесов России по данным дистанционного зондирования из космоса // Available from <#/www.dataplus.ru/Industries/8FOREST/17Forest.htm>
4. Dataplus, Использование ГИС в лесном хозяйстве и лесной промышленности // Available from <#/www.dataplus.ru/Industries/8FOREST/forest.htm>
5. Earth Science Data Interface (ESDI) at the Global Land Cover Facility // Available from <#/glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp>
6. Барталёв С. C., Малинников В.А., Эксперименты по региональной оценке характеристик экологического состояния лесов с использованием данных спутниковых наблюдений и ГИС-технологий. Четвёртая всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г. Сборник тезисов конференции стр. 202
7. Барталёв С.С., Малинников В.А., Взаимная яркостная нормализация спутниковых изображений при региональном картографировании лесов. // Известия высших учебных заведений специальный выпуск 2006 г. стр.83-92
8. Барталёв С.С., Малинников В.А., Возможности региональной экологической оценки лесов по данным спутниковых наблюдений. // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка. №6 2006 г. стр.3-18
9. Гиряев М.Д., Харин О.А. Лесоуправление и лесопользование. //Природно-ресурсные ведомости, 2002.
10. Куртеев В.В., ГИС и дистанционное зондирование в системе лесопатологического мониторинга России // ArcReview № 4 (43) 2007. Available from < #/www.dataplus.ru/Arcrev/Number_43/Index.html>
11. Мельник Н.Н., Барталев С.С., Применение информационных систем в целях оптимизации деятельности агропромышленного и рыбохозяйственного комплексов // Вестник, электротехнологии, электрификации и автоматизации сельского хозяйства. Научный журнал под редакцией Т.Б. Лещинской. Выпуск №3 (13). Раздел информационные технологии. стр.151-154
12. Нифонтов В.И., Леонтьев С.Ю., Отчет по лесопатологическому обследованию части лесов Бельского и Торопецкого лесхозов Тверской области. Рослесозащита, 2002.
13. Пузаченко М.Ю ., Черненькова Т.В., ГИС-технологии в мониторинге биоразнообразия лесов // ArcReview № 4 (39) 2006. Available from <#/www.dataplus.ru/Arcrev/Number_39/Index.html>
14. Сервис по оперативному доступу к данным MODIS в Москве // Available from <#/eostation.scanex.ru>
15. Щербин-Парфененко А.Л. Бактериальные заболевания лесных пород. М.: Гослесбумиздат, 1963.

Скачать весь реферат:

СКАЧАТЬ ТУТ