Возможности применения спутниковых наблюдений для оценки экологического состояния лесного хозяйства
С важнейшим эколого-экономическим значением лесов, мировым сообществом по охране ОС достигается все большее понимание их экологической роли как основы фундаментальных процессов, которые отвечают за обмен энергией и веществом. Лесные экосистемы считаются поглотителем углерода, которые накапливаются в связанном виде в древесном пологе насаждений, в лесных подстилках, в торфяных местах и в почвах. Поглощение, депонирование и эмиссия углерода, то есть составляющие углеродного цикла в лесах, находятся в зависимости от многих факторов и определяются интенсивностью фотосинтеза, как функции породно-возрастной текстуры насаждений, почвенных и климатических характеристик, а также процессами разложения биомассы и деструктивными воздействиями на лесные экосистемы.
Пожары, вырубки, а также повреждениям лесов болезнями, насекомыми и промышленными загрязнениями являются ведущей ролью среди деструктивных факторов воздействия на леса. Ущербы от последствий массовых размножений различных насекомых в лесах сопоставимы с ущербом от пожаров. Средние ежегодные ущербы в России от площади очагов распространения вредоносных насекомых насчитываются около 2,2 млн. га.
Сбор информации о деструктивных явлениях в лесах и оценка масштабов их воздействия проводится не на всей территории России, и по регулярности и достоверности не отвечает передовым требованиям. Регулярные наземные и авиационные наблюдения за лесными пожарами проводятся на территории, составляющей около 65% площади лесного фонда [44].
Недостаточно широкое использование инструментальных методов оценки поврежденных огнем растительности, масштабов лесопользования, а также лесов, погибших в результате болезней, воздействия насекомых и промышленных загрязнений приводит к значимым погрешностям в данных статистической отчетности.
Значительные погрешности характерны также для данных о динамике лесовосстановления на гарях и вырубках. Большие размеры лесов, характерные для многих регионов, а также отсутствие отвечающей передовым требованиям системы сбора информации в лесной отрасли устанавливают необходимость широкого использования данных спутниковых наблюдений для мониторинга лесов.
В последние годы в связи с данными задачами, обоснована потребность в расширении направлений изучений в области космического мониторинга лесов. Развитие техники и методов ДЗЗ создало практические предпосылки для мониторинга лесов на глобальном уровне и получения необходимых оценок для исследований. И в таблице 9 представлены приоритетные направления спутникового мониторинга лесов.
Принимая во внимание современные приоритеты в лесной отрасли и опираясь на имеющийся в мире опыт использования данных дистанционного зондирования, предложена функциональная структура системы спутникового мониторинга лесов[39] (таблица 7).
Таблица 7 ‒Структура системы спутникового мониторинга лесов
| Подсистема сбора спутниковых данных | |||
| Данные низкого разрешения Terra/Aqua-MODIS NOAA-AVHRR SPOT-VGT | Данныесреднегоразрешения Terra/Aqua-MODIS Envisat-MERIS Terra-MISR | Данные высокого разрешения Метеор-3 М/МСУ-Э Landsat-TM/ETM+ SPOT-HRVIR | Данные детального разрешения QuickBird SPOT-HRG IKONOS |
| Подсистема тематического анализа спутниковых данных | ||
| Картографирование лесных экосистем | Оценка динамики лесных экосистем | Оценка биофизических характеристик |
| Категории лесных и нелесных земель | Крупномасштабные изменения в лесах | Объем наземной биомассы |
| Породная и возрастная структура лесов | Долговременные тренды состояния лесов | Характеристики продуктивности лесов |
| Структурные характеристики лесов | Фенологическая динамика лесов | Площадь листовой поверхности |
Подсистема сбора спутниковых данных предполагает получение и первичную обработку необходимых для мониторинга лесов данных широкого спектра приборов, различающихся уровнем пространственного разрешения, спектральными каналами, частотой наблюдения и другими параметрами.
Возможности широко используемых в настоящее время для мониторинга лесов оптических спутниковых приборов представлены в таблице 8 [11].
Таблица 8‒ Приоритетные направления спутникового мониторинга лесных экосистем
| Направления мониторинга | Наблюдаемые объекты и явления | Оцениваемые характреистики |
| Картографирование и оценка структуры лесов | - Растительный покров – Водно-болотные комплексы -Непокрытые растительностью земли | - Тип вегетативных органов - Фенологический тип растительности - Видовой состав растительности - Возрастная структура лесов |
| Оценка биофизических характеристик лесов | - Лесной покров | - Надземная биомасса - Индекс листовой поверхности - Объем первичной продукции - Концентрация хлорофилла - 3D структура лесного покрова |
| Оценка возмущающих воздействий на леса | - Лесные пожары - Вырубки лесов - Факторы биотическогои техногенного воздействия - Динамика восстановления лесов | - Тип фактора воздействия - Площадь повреждений - Степень повреждений - Время события - Скорость восстановления растительности |
| Оценка фенологической динамики лесов | - Фенологическая динамика лесных экосистем | - Продолжительность залегания снега -Продолжительность вегетационного сезона и сроки наступления фенологических фаз |
| Оценка многолетних трендов состояния лесов | - Структура лесного покрова - Биофизические характ-ки - Режимы землепользования - Возмущающие воздействия на леса и фенологич. ритмы | - Наличие трендовой динамики - Направление трендовой динамики - Скорость трендовой динамики |
| Оценка физических характеристик | - Все типы наземных экосистем | - Альбедо - Температура и в лагосодержание |
Таким образом, исходя из данной таблицы можно сделать вывод, что подсистема тематического анализа спутниковых данных включает в себя блоки картографирования лесов, оценки их динамики и биофизических характеристик.
Технология ДЗЗ успешно применяется для решения перечисленных выше задач, позволяя комплексно исследовать удаленные и часто недоступные территории.
Картографирование лесных экосистем предусматривает получение информации о пространственном распределении категорий земель, породно-возрастной структуре и других характеристиках лесов.
Лесные службы разных стран практикуют картографию пожароопасных ситуаций, очагов лесных пожаров, площади гарей, оценивают ущерб от пожаров. Для данных задач новые возможности открывает спектрозональная съемка. Например, материалы, получаемые спутниковыми данными Landsat с большим числом каналов позволяют выявлять пожары на ранних стадиях возгорания.
Анализ данных инфракрасных каналов идентифицирует области как наземного, так и подповерхностного горения и тления. Анализ данных видимого диапазона излучения дает информацию о задымленности, направлении распространения пожара и о потенциально опасных участках.
Дистанционное зондирование также содействует к планированию маршрутов доступа к очагам возгорания и/или пути эвакуации, позволяя оптимально использовать ресурсы, необходимые для предотвращения и тушения лесных пожаров.
Современные способности спутниковых наблюдений в значимой мере удовлетворяют указанным требованиям к классификации растительности на основе спектральных, спектрально-временных признаков. Оценка возмущающих воздействий является приоритетной составляющей спутникового мониторинга лесов, которая основана на выявлении участков изменений и получении характеристик интенсивности воздействия с использованием временных серий данных наблюдений.
Таблица 9 ‒ Возможности спутниковых приборов для мониторинга лесов
| Направления мониторинга лесов | Спутниковые приборы различного пространственного разрешения | |||
| Низкое (~1км) | Среднее (250-500 м) | Высокое (20-50 м) | Детальное (1-5 м) | |
| Картографирование лесов | NOAA-AVHRR SPOT-Vegetation Terra/Aqua-MODIS | Terra/Aqua-MODIS Envisat-MERIS | Landsat-TM/ETM+ Terra-ASTER SPOT- HRV/HRVIR Метеор-3М/МСУ-Э IRS-LISS | IKONOS QuickBird SPOT-HRG IRS-PAN |
| Оценка биофизических характеристик | ||||
| Оценка концентрации хлорофилла | Envisat-MERIS | Landsat-TM/ETM+ | ||
| Оценка 3D структуры лесов | SPOT-Vegetation | Terra-MISR Terra/Aqua-MODIS | ||
| Оценка возмущающих воздействий | ||||
| Детектирование пожаров | NOAA-AVHRR Terra/Aqua-MODIS | Landsat-TM/ETM+ Terra-ASTER | Landsat-TM/ETM+ Terra-ASTER | |
| Оценка последствий пожаров | NOAA-AVHRR SPOT-Vegetation Terra/Aqua-MODIS | Terra/Aqua-MODIS | Landsat-TM/ETM+ Terra-ASTER SPOT-HRV/HRVIR Метеор-3М/МСУ-Э IRS-LISS | IKONOS QuickBird SPOT-HRG IRS-PAN |
| Оценка воздействия биотических и техногенных факторов | ||||
| Вырубки лесов | ||||
| Оценка фенологической динамики | NOAA-AVHRR SPOT-Vegetation Terra/Aqua-MODIS | |||
| Оценка трендов состояния | Landsat-TM/ETM+ SPOT- HRV/HRVIR | |||
| Оценка физических характеристик поверхности | NOAA-AVHRR Terra/Aqua-MODIS | Landsat-TM/ETM+ Terra-ASTER |
Приведенные в исследовании материалы показывают, что космические снимки могут быть использованы и для мониторинга целевого использования лесного фонда, для оценки последствий лесных пожаров и для решения других задач лесной отрасли, что приобретает особую важность для лесных регионов Сибири, большая часть площади которых относится к труднодоступным территориям.
Таким образом, анализ современного состояния спутниковых методов дистанционного зондирования Земли свидетельствует о наличии реальных предпосылок для создания системы мониторинга лесов в интересах решения задач оценки лесных ресурсов, охраны и защиты леса. Выявлено, что для оценки последствий лесных пожаров наиболее экономичным и эффективным являются данные спутников Landsat, которые дают возможность оценивать состояние и динамику лесного хозяйства на различных уровнях охвата, которые важны для устойчивого использования, сохранения и восстановления леса, с целью выработки наиболее эффективных методик реализации этих целей.
Выводы по разделу 1
В разделе 1 дана основная характеристика Республики Тува, показаны основные причины возникновения лесных пожаров и методы борьбы с ними, проанализирована проблема лесных пожаров в регионе исследований. Выявлено что основная причина для возникновения лесных пожаров –человеческий фактор (около 63%) и аномальные климатические условия региона.Республика Тува входит в один из регионов России, где лесные пожары представляют с собой актуальную проблему, ежегодно нанося, наносят значительный урон растительности и экономике региона. Активные противопожарные мероприятия в регионе, затруднены из-за сложности горного ландшафта, отсутствия развитой транспортной сети, труднодоступности отдельных территорий.
В условиях перечисленных фактов выявлено, что безальтернативным средствоммониторинга для региона являются методы получения и обработки временных серий спутниковых данных которые дают большие возможностидля регулярного картографирования лесов и оценки в них изменений в результате пожаров, вырубок и других факторов.
Практическая часть