Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оценка состояния лесного фонда Ленинградской области и ГИС-прогноз его развития

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Оценка состояния лесного фонда Ленинградской области и ГИС-прогноз его развития"

На правах рукописи

•И к-ил/ „............,

Нгуен Конг Чыонг

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЛЕСНОГО ФОНДА ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ И ГНС-ПРОГНОЗ ЕГО РАЗВИТИЯ

06.03.02 - "Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

О г ' 1 1" '

! ¿и

Санкт - Петербург 2015

005558961

005558961

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова»

Научный руководитель: Любимов Александр Владимирович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты: Хлюстов Виталий Константинович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, профессор кафедры лесоводства и мелиорации ландшафтов, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева

Березин Виктор Иванович, кандидат сельскохозяйственных наук, заместитель руководителя отдела филиала ФГУП «Рослесинфорг» «Севзаплеспроект»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Ботанический институт имени В. Л. Комарова Российской академии наук (БИН РАН). Санкт-Петербург, улица профессора Попова, дом 2.

Защита состоится 17 марта 2015 года в 11 - 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.02 в Санкт-Петербургском государственном лесотехническом университете им. С. М. Кирова по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, Главное здание, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте совета: http://spbftu.ru/science/sovet/D21222002/^02/

Автореферат разослан 15 января 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного / ЩЫСШУ Жигунов А. В.

совета <у /

ВВЕДЕПИЕ

Актуальность проблемы. В управлении лесным хозяйством важное место отводится информации, с помощью которой принимаются управленческие решения и оцениваются их экономические и экологические последствия. Это относится ко всем видам деятельности и, особенно, к лесо- и природопользованию, которые отличаются территориальной разобщенностью проводимых лесохозяйственных мероприятий, необходимостью учета местных географических и социальных условий, а также экологических и правовых ограничений.

Надежным и современным средством информационного обеспечения территориального управления стали геоинформационные системы (ГИС), концентрирующие и обрабатывающие большие объемы информации. Вместе с тем сохраняется проблема совершенствования алгоритмов преобразования пространственно определенных данных, для чего создаются специальные модели и методы исследования лесохозяйственной ситуации, прогноза динамики воспроизводства лесных ресурсов, которые дают возможность формировать оптимальную стратегию и тактику лесо- и природопользования на уровне административных районов и областей России.

Цель исследования - разработать систему информационного обеспечения, модели и методы территориального лесоуправления для организации экологически безопасного лесо- и природопользования с устойчивым развитием лесного фонда на примере исследованных регионов.

В работе были решены следующие задачи:

1. Раскрыты содержание и место геоинформационных систем и технологий в управлении лесным хозяйством на уровне субъекта федерации и административного района.

2. Реализованы последовательность процедур создания геоинформационных систем субъекта федерации и административного района на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ).

3. Проведена основанная на ГИС-технологиях дифференциация территории Ленинградской области и Тосненского района по экономическим условиям и экологически обоснованным критериям с учетом существующей нормативно-правовой базы в области лесного хозяйства и охраны природы.

4. Разработана методика информационного обеспечения лесопользования для субъекта федерации и административного района.

5. Произведена оценка устойчивости и оптимальности норм воздействия на таежные экосистемы исследуемых субъекта федерации и района, исходя из результатов картографического моделирования.

6. Показаны возможности и направления совершенствования методов учета лесов, планирования и управления лесопользованием с применением геоинформационных технологий атласного картографирования.

Объекты исследования - Ленинградская область и Тосненский административный район с Лисинским учебно-опытным лесхозом Санкт - Петербургского государственного лесотехнического университета.

Предмет исследования - лесной фонд и его динамика на обследуемых территориях с учетом экологически безопасного использования лесных ресурсов на уровне субъекта федерации и административного района.

Исходные материалы. Использовались статистические и нормативные документы, фондовые материалы различных ведомств, включая данные лесоустройства, отечественные и зарубежные космические снимки, топографические карты М 1:200 ООО, а также тематические карты района и области разных масштабов. Район подробно обследовался в 2011-20013 гг. для уточнения ситуации и формулировки проблем, связанных с рациональным лесо- и природопользованием.

Методы исследования - натурные исследования лесных массивов в пределах выделенных на территории Ленинградской области ландшафтов (А. Г. Исаченко и Д. М. Киреев), математическое, компьютерное и геоинформационное моделирование и картографирование, статистический анализ, дешифрирование аэро и космических снимков.

Научная новизна работы.

1. Впервые создана информационная система субъекта федерации и административного района на основе материалов ДЗЗ и растровых ГИС.

2. Реализованы на основе геоинформационных технологий процедуры системного анализа от создания информационного образа объекта управления лесным хозяйством исследуемых территории до принятия близких к оптимальным управленческих решений.

3. Реализованы новые алгоритмы информационного обеспечения математических моделей с использованием базы данных ГИС области и района.

4. Предложены методы объективной оценки устойчивости лесных экосистем на основе данных ГИС и математических моделей строения и динамики насаждений.

5. С использованием ГИ-технологий построены карты экологического и правового зонирования территории как формы реализации природоохранной законодательной базы на естественных и преобразованных ландшафтах с учетом местных отношений в сфере земле- и лесопользования.

6. Разработан электронный атлас, отражающий ситуацию в области природопользования в режиме геоинформационного картографирования

Положения, выносимые на защиту:

1. Геоинформационная система административного района и субъекта федерации, основанная на данных дистанционного зондирования Земли, которая концентрирует натурную и картографическую информацию для решения задач территориального управления - построения серий тематических карт, отражающих современное состояние, перспективы (ГИС-прогноз) и ограничительные условия лесо- и природопользования в районе.

2. Пространственные модели взаимодействия компонентов территориальной системы объективно отражающие закономерности саморегулирования природных процессов и позволяющие оценивать пределы устойчивости экосистем и допустимые нагрузки на них.

3. ГИС- прогноз лесопользования на перспективу до 2080 г. с учетом местных условий хозяйственной деятельности.

Практическая значимость работы. Результаты диссертационного исследования будут использованы государственными и частными лесоустроительными предприятиями, экологическими и проектными организациями при разработке проектов организации и ведения хозяйства в лесах Ленинградской области, а также органами управления городскими и пригородными лесами. Отчеты о результатах исследования были направлены в Правительство Ленинградской области, и органы местного самоуправления Ленинградской области. Материалы диссертационного исследования были использованы при подготовке учебных курсов в СПбГЛТУ и РГПУ имени А. И. Герцена.

Личный вклад. Разработка плана диссертационного исследования, методики сбора и обработки исходных материалов, построение и коррекция математических и геоинформационных моделей, анализ результатов и разработка рекомендаций были выполнены лично автором.

Обоснованность и достоверность результатов исследования базируется на использовании достоверных исходных данных, выверенных матема-тико-статистических моделей и аналитических модулей широко известных профессиональных и научно-исследовательских ГИС (Maplnfo и IDRISI for Windows). Достоверность результатов исследования подтверждается сравнением результатов долгосрочного прогнозирования с оценкой динамики лесного фонда по таблицам хода роста насаждений Северо-запада России.

Апробация и публикация результатов работы. Результаты исследования были обсуждены и одобрены на 3 научно-практических конференциях, 2 семинарах и рабочих встречах международного и регионального уровней. По результатам диссертационного исследования опубликовано 8 статей в сборниках научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав и заключения. В реферативный список включен 201 источник. Объем работы составляет 174 страницы, в том числе: 11 таблиц и 45 рисунков.

I. Состояние изученности вопроса

В развитых странах к приоритетным задачам лесного хозяйства относят: обеспечение устойчивого развития лесов, сохранение и воссоздание насаждений с близкими к естественным параметрами, защиту генетического потенциала местных видов, охрану и приумножение биологического разнообразия лесных экосистем, т.е. сохранение среды, окружающей человека [Любимов, Кудряшов, Вавилов, 2001].

По мнению ряда исследователей [Куусела, 1999; Любимов и др., 20022012; Писаренко, Филипчук, Страхов, 2002] в лесном фонде страны происходят неоднозначные изменения. Систематическое недоиспользование расчетной лесосеки привело к накоплению спелых и перестойных насаждений, к временной смене хвойных пород лиственными на обширных площадях, а сосны - елью. Накопление спелых и перестойных насаждений привело к заметному снижению прироста и эффективности использования лесного фонда.

Накопление большой массы горючих материалов в лесу способствует ухудшению противопожарной обстановки в лесах области и возникновению очагов массового размножения знтомовредителей.

Процессы прогноза динамики лесов с учетом проводимых мероприятий изучены недостаточно. Задачи прогноза сводятся к анализу динамики лесного фонда без учета воздействия на него хозяйственной деятельности. Прогнозирование динамики лесов чаще всего ограничивается их продуктивностью [Бугаев 1972; Волкова и др. 1996; Кареев 1993; Комков и др., 1987]. Значительно реже прогнозируется состояние лесов как многоцелевого объекта лесопользования [Мизарас, 1988;Чупров, 1993; Хлюстов, 1995 -2014].

Чтобы придать прогнозу динамики лесного фонда более реалистичные черты, используют регрессионный метод анализа [Волкова и др. 1996; Кареев 1993; Олейник 1994; Хлюстов, 2001 - 2013].

А.Г. Мошкалев и др. [1985] пришли к выводу, что динамики лесного фонда и лесопользования объективно характеризуют результаты хозяйства в лесах за длительный период.

В специальной литературе вопросы прогноза динамики лесного фонда с учетом лесохозяйственных мероприятий и эколого-экономической доступности лесных ресурсов не разработаны. Недостаточно разработана методика организации хозяйства на ландшафтной основе, недооценены преимущества ведения раздельного индустриального, экосистемного и адаптивного хозяйства в лесах региона, недостаточно разработаны методы использования материалов ДЗЗ и ГИ-технологий учета географической компоненты хозяйственной деятельности в лесу на территории единиц административного деления.

2. Программа и методика исследований

2.1 Программа исследования:

1. Оценить сложившиеся на уровне административного района имущественные отношения в области землепользования: соотношение земель сельскохозяйственного назначения, населенных пунктов и лесов;

2. Проанализировать особенности расчета лесопользования в соответствии с традиционными и новыми методиками, ориентированными на использовании специфических моделей, материалов дистанционных съемок и геоинформационных технологий;

3. Отработать методику прогноза динамики лесного фонда лесничеств, лесоэксплуатационных районов и субъекта федерации с учетом лесопользования на ближайшую и отдаленную перспективу, используя ДМ (современное состояние и ретроспектива) и ГИС (перспектива).

2.2. Методика исследования:

1) районирование территории субъекта федерации с отбором объектов моделирования, однородных по природно-хозяйственным характеристикам для обеспечения статистической достоверности;

2) калибровка материалов лесоустройства разных лет;

3) картографический анализ объектов исследования на основе ГИС н ДМ;

4) выявление тенденций в динамике лесов по 3-5 моментам наблюдения. Наряду с обязательным сопоставлением исходных карт для непосредственного анализа ДЛФ, были составлены тематические синтезирующие карты динамики объектов, процессов и явлений в анализируемых лесах.

Основой диссертационного исследования являются методы математи-ко-статистического анализа лесоустроительных и лесохозяйственных данных (EFISCEN-C, 3DMM (3D-matrices model), составленные автором таблицы хода роста модальных насаждений основных лесообразующих пород) и ГИС-технологии анализа пространственных данных (ГИС "IDRISI, "Maplnfo"). Базы лесоустроительных данных на объекты моделирования создавались путем преобразования лесоустроительной информации из WinGIS - PLP в форматы MS-Access. Обработка данных производилась в соответствии с моделью EFISCEN-C, MS-Access и PSP.

Оценка полученных данных производилась по стандартным методикам решения лесоустроительных задач.

2.3. Объем и характеристика исходных данных:

• Материалы устройства и инвентаризации лесов Ленинградской области, обобщенные за более, чем полувековой период;

• Материалы исследования лесов на Лисинском АК и ГИС-полигоне кафедры лесной таксации, лесоустройства и ГИС СПбЛТА;

• Таксационные характеристики насаждений, полученные в результате повторных перечетов на постоянных пробных площадях, заложенных сотрудниками кафедры в период с 1966 по 2012 г.;

• Топографические и лесные тематические картографические произведения всего масштабного ряда (1:10.000 - 1:200.000) на жестких носителях и в электронных форматах;

• Цветные спектрозональные аэрофотоснимки М 1:10.000 и 1:15.000, выполненные на пленке СН-6;

• Космические изображения на все изучаемые объекты, находящиеся в свободном доступе И-нет'а.

Настройка и калибровка моделей, использованных для оценки и прогнозирования состояния и динамики лесного фонда крупных регионов, были использованы следующие пробные площади и эталонные выдела:

Таблица 1

Пробные площади и эталонные выдела, использованные для решения задач диссертационного исследования, шт._

Показат. Молоди. Среднев. Приспев. Спел и п. Всего

Сосна 3 7 11 21 42

Ель 4 9 9 13 35

Береза 3 5 8 7 23

Др. листв 1 3 3 5 12

Итого 11 24 31 46 112

Детальное описание форматов исходных данных, использованных для ма-тематико-статистического и картографического моделирования, приведено в соответствующих разделах диссертации.

2.4. Характеристика объекта исследования

По состоянию на 01.01.2013 г. в ведении федерального органа управления лесным хозяйством находятся 18 лесничеств, в составе которых насчитывается 197 участковых лесничеств, общая площадь которых составляет 4564,9 га.

С учетом зональных и азональных особенностей Ленинградской области и на основе ГИС-анализа ландшафтных факторов, соседние лесничества были группированы по схожести показателей лесистости, продуктивности и протяженности дорог на 100 га на пять сравнительно однородных районов, объединяющих типы южно и среднетаежных ландшафтов.

Анализируя распределение в целом покрытых лесной растительностью земель лесного фонда области по группам возраста, необходимо отметить их следующее процентное соотношение по состоянию на 01.01.2013:молодияки - 22 %; средневозрастные - 26 %; приспевающие - 21 %; спелые и перестойные - 31 %;в том числе перестойные -6%.

Состояние лесного фонда за прошедший период, в целом, не ухудшилось. Однако наблюдается тенденция к ухудшению качественного состава лесного фонда в отдельных районах. Не в лучшую сторону изменилось распределение лесного фонда по хозяйствам, а в их пределах - по группам возраста, преобладающим породам - пока еще не в резко отрицательную сторону. Учитывая весомую роль лесов в экономике области, такие тенденции в состоянии лесного фонда обязывают более ответственно относиться к планированию и ведению лесного хозяйства.

Таким образом, наблюдается неравномерность возрастного распределения насаждений области, выраженная в повышенной доле спелых и перестойных древостоев по сравнению с другими группами возраста.

Таблица 2

Динамика запасов древесины, млн.м3_

Годы учета 1966 1973 1978 1983 1988 1993 2003 2013

Общий запас насаждений 419 493 529 558 586 583 632,6 619

в том числе хвойных 281 331 356 379 401 404 413,4 401,2

Спелые и перестойные 118 134 142 183 224 223 261 265,2

в т.ч хвойные 62 70 77 107 142 143 144 144,9

3. Проблемы управления лесными и земельными ресурсами на примере Тосненского района Ленинградской области

Одним из главных элементов экономической реформы (в том числе - в лесном хозяйстве) является формирование земельных отношений, включая земли лесного фонда. Земельная реформа меняет экономический строй страны - земля становится объектом гражданско-правовых сделок. Меняются имущественные отношения и в лесном хозяйстве.

Управление земельными ресурсами на современном этапе связано с практическим определением права собственности на земли, разграничением земель районов, разграничением функций управления земельными ресурсами между различными органами, определением дифференцированных нормативов платы за землю в зависимости от рыночной стоимости и проведением оценки земель, включая земли лесного фонда.

Для понимания проблем современного муниципального района необходимо иметь четкое представление о возможностях влияния средствами управления на состояние экономию! и окружающей природной среды.

Тосненский район расположен в 40 км от Санкт-Петербурга. Административный центр района - город Тосно, территория района составляет 3600 кв. км, а численность населения на 01.01. 2014 - 111,1 тысячи человек.

Земли лесного фопда Тосненского района занимают 80% от общей площади муниципального образования. Леса на территории муниципального образования выполняют ресурсные (сырьевая база для экспорта и местной деревообработки) и защитные функции, как расположенные в непосредственной близости от Санкт-Петербурга.

Особое значение приобретают права собственности на землю, рыночная стоимость которой постоянно увеличивается. В связи с этим, планируется упорядочить земельные отношения, для чего намечен перевод части земель лесного фонда в земли населенных пунктов (территория пос. Лисино-Корпус (рисунок 1), а так же перевод условно сельскохозяйственных угодий, покрытых лесом (т. н. "Сельские леса"), в земли лесного фонда.

Использование геоинформационных технологий, современных и архивных аэрофотоснимков позволяет выявить реальную конфигурацию подлежащих отчуждению земель (рисунок 2), несмотря на существенные изменения облика угодий, ошибочно отчужденных в 50-х годах (рис. 26).

Рисунок 1. Современный вариант земель поселка Лисино-Корпус, предназначенных к отчуждению из лесного фонда.

Рис.2а. Архивный снимок с ошибочно отчужденными в 50-х гг XX века землями сельхозартели.

Рис. 26. Современный снимок с бывшими сельхозземллми, проходящими все стадии преобразования: «пашни-сенокосы-молодняки-средневозрастные»

Контур полигона Лисино - Корпус, предполагаемый к отчуждению из земель лесного фонда был определен последовательным совмещением

растровых и векторных слоев, созданных с помощью топографических и административных карт разных лет, а также аэро и космоснкмков высокого разрешения (рисунок 3).

Обоснование перевода «скрытых» в сельхозземлях участков лесного фонда производилась с использованием многозональных аэро и космических снимков и геоинформационных методов их регистрации и дешифрирования.

В настоящее время использование пространственных данных сталкивается с отсутствием согласованных стандартов и механизма информационного обмена между организациями и ведомствами. Данные из разных источников зачастую несопоставимы и не согласованы.

Пространственные данные поступают в различных системах координат, различных масштабах, разных форматах и видах представления, при их подготовке используются различные классификаторы и структуры данных, различные средства символизации объектов. Затруднен доступ широкого крм а пользователей к пространственной информации.

* • - •*»■____________з.........з..................................................................................

Рисунок 3. Земли сельскохозяйственных образований, предназначенные к переводу в лесной фонд.

Целью данного этапа работы являлась отработка модели узла инфраструктуры пространственных данных (ИПД) на муниципальном уровне, ориентированной, в первую очередь, на данные государственного кадастра недвижимости.

Подготовленные ортофотопланы и созданные на их базе кадастровые карты служили основой для формирования производных информационных продуктов для решения различных управленческих задач. Для обеспечения

совместимости данных проводилось трансформирование в используемую систему координат, преобразование в нужные форматы, согласование средств символизации объектов. Одно из важных пршюжений - адресные планы населенных пунктов с уточненными границами.

Отработка технологий создания тематических информационных продуктов осуществлялась в ходе подготовки динамических карт - атласов, характеризующих использование и состояние селитебных территорий, промышленных территорий, сельскохозяйственных и лесных земель.

Для решения этих задач были использованы мультиспектральные данные, что обеспечило возможность дешифрирования объектов на ортофотопланах с определением категорий земель, видов сельхозугодий, распознаванием растительности, выделением классов и категорий состояния.

Исходной тематической основой послужила почвенная карта района, преобразованная в векторные форматы и обеспеченная соответствующими характеристиками почв в атрибутивных таблицах (рис. 4).

Рис.4. Исходная почвенная карта части Тосненского района

Манипуляции тематическими слоями с кадастровой информацией позволяет получить дополнительные сведения по номенклатуре и характеристикам конкретных земельных участков, учесть при проведении кадастровой оценки их внутреннюю неоднородность, обусловленную воздействием природных и антропогенных факторов.

На основе векторной почвенной карты с привлечением материалов лесоустройства, почвенных обследований и данных о продуктивности лесных участков была составлена карта классов пригодности земель для использования в лесном и сельском хозяйстве. Карта отражает комплексную

характеристик}' земель по уровню их плодородия и пригодности под различные виды лесных и сельскохозяйственных угодий.

На основе кадастровой карты предварительно автоматически осуществляется выделешге земель лесо- и сельскохозяйственного назначения, по которым и происходит классификация. Дополшггельно может быть наложен слой границ земельных участков.

Комплексные показатели качества земель могут использоваться при установлении цены на участки, арендной платы, объемов кредитования под залог земли и других операциях с землей, как недвижимостью.

Использование ИПД (информационно-пространственных данных) в Тосненском районе показало высокую заинтересованность администрации и других организаций в пополнении ИПД и обеспечении доступа к ним широкого круга пользователей для создания на основе интеграции данных новых информационных продуктов в целях информационной поддержки управленческих решений.

Анализ информационных потоков на территории Тосненскош района позволил выявить основных поставщиков информации для кадастра и наиболее заинтересованные группы пользователей кадастровой информации.

В общую модель узла ИПД были включены следующие компоненты: наборы пространственных данных, подготавливаемые в соответствии с определенными стандартами; метаданные, характеризующие наборы пространственных данных; сетевые сервисы, обеспечивающие поиск данных с использованием метаданных, визуализацию, загрузку, трансформирование данных и другае функции, которые должны быть определены и реализованы в ходе разработки ИПД; средства, реализующие публикацию данных и предоставление информации пользователям, в том числе - через Интернет.

Для решения большинства управленческих задач муниципального уров!и требуемые масштабы — 1:25000 и крупнее (план лесонасаждений); для ведения ГКН определены масштабы 1:10000 для межселенной территории (лесоустроительный планшет) и 1:2000 для населенных пунктов (объекты озеленения).

Пространственная основа для Тосненского района создавалась по космическим снимкам SPOT-5, ALOS и QuickBird ("Совзонд").

Создание ортофотопланов выполнялось с использованием опорных точек в программной среде PHOTOMOD-4, в местной системе координат, в которой осуществляется ведение ГКН. Точность составления ортофотопланов по материалам съемки SPOT-5 и ALOS соответствует точности масштаба 1:25 000, по материалам космической съемки QuickBird — точности масштаба 1:10 000.

Карта земельных участков масштаба 1:10000 получена путем наложения графических слоев кадастрового деления и земельных участков на ортофотоплан, подготовленный по материалам космической съемки и карт дистанциопного мониторинга состояния лесных и земельных участков.

В пределах Тосненского района основная зона с начальным уровнем загрязнения почвы в естественных ландшафтах тяжелыми металлами прослеживается на северо-западе района в виде полосы (шириной до 10-15 км), которая обрамляет транспортные магистрали от Санкт-Петербурга на Мурманск, Москву и Новгород (обширная техногенная аномалия).

Более высокий уровень суммарного загрязнения почвы тяжелыми металлами отмечен на участке Красный Бор - Форносово; этот участок является продолжением контрастной аномалии, которая занимает территорию в районе г. Колшшо («Ижорский Завод»),

Ареалы начального загрязнения почв отмечены также вдоль дороги на Новгород, между пос. Радофиншпсово и дер. Каменка. Основными компонентами загрязнения являются цинк, медь, никель, свинец. Общая площадь территории с начальным уровнем техногенного загрязнения почвы тяжелыми металлами составляет в Тосненском районе примерно 500 кв. км или около 15% всей территории района.

Единственным природным компонентом окружающей среды, способным стабилизировать ее качество, являются леса.

Состояние лесных угодий на территории Тосненского района является стабильным и не ухудшилось за последние десятилетия за исключением лесов, расположенных вокруг промышленных предприятий, а также свалок промышленных и бытовых отходов (полигон «Красный Бор», промышленные предприятия пос. Никольский). Это следует расценивать как положительный фактор сохранения биоразнообразия и охраны природы.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что экологическое состояние лесов Тосненского района является близким к идеальному. Исключение составляют буферные зоны вдоль основных транспортных магистралей и промышленных предприятий химического профиля. Основные зоны загрязнения приходятся на полосы отчуждения и не захватывают существенных площадей лесного фонда.

4. Оценка таксационных показателей насаждений с использованием МДЗ и

ГИ-технологий

При исследовании возможностей использования дистанционных методов для оценки строения и динамики таксационных показателей насаждений были изучены: особенности изображения крон отдельных деревьев на крупномасштабных цветных спектрозональных и многоканальных цифровых аэрофотоснимках М 1:10000 - 15000; показатели спектральной оптической плотности отдельных деревьев, биогрупп и насаждений; признаки изменчивости изображений полога на цветных МДЗ с оценкой связей между объективными показателями насаждений (оценка временных рядов); возможность использования мелкомасштабных космических снимков для оценки состояния насаждений и динамики их таксационных показателей;

Обработка и анализ цифровых и сканированных изображений выполнялась в соответствии с принятой методикой и состояла из:

- Геометрической коррекции изображений в соответствии с традиционными методами исправления искажений (современные технологии геопозиционирования объектов по данным GPS, ГЛОНАСС и GIS).

- Атмосферная коррекция АКФС производилась в программном комплексе ENVI (модуль FLAASH).

- Выравнивание ьркостных характеристик изображений (histogram matching) использовалось для создания бесшовных мозаик, состоящих из двух и более исходных растровых изображений, например, аэро- и космических снимков или их производных.

- Объективизация процессов дешифрирования производится с помощью вычисленных спектральных оптических характеристик исследуемых объектов (NDVI и SAVI, суммарных спектров отражения и поглощения) и яркост-ных эталонов. Для успешной реализации спектрального анализа исследуемых объектов были созданы комплекты эталонов для всех категорий земель, которые могли бы быть полезными для решения поставленных задач и материалов дистанционных съемок, использованных в исследовании.

В качестве главного инструмента для создания спектральных эталонов была использована оболочка ГИС "IDRISI for Windows". Данная ГИС была специально разработана для исследования информационных возможностей материалов ДЗ и работы с электронными растрами.

- Практическая реализация интерактивных методов обработки изображений для дешифрирования таксационных показателей в динамике и статике. Для обеспечения достоверности и точности результатов были исследованы особенности изображения и обработки различных объектов лесного фонда с помощью объективных методов спектрального анализа и мате-матико-статистической обработки полученных массивов информации.

В диссертации изучены особенности формирования и распознавания крон отдельных деревьев, биогрупп и насаждений.

Объективно таксационные характеристики насаждений могут быть оценены с помощью автоматизированных методов обработки снимков. Основной метод выполнения работы - использование регрессионных зависимостей типа «спектральный образ» - «таксационный показатель».

Результаты сравнения регрессионных уравнений для исследованных участков показывают, что ошибка моделирования составляет около 10%.

5. Закономерности строения и динамики таксационно-дешифровочных показателей исследованных насаждений

Современная концепция российского лесоустройства базируется на активном использовании МДЗЗ и ГИС-технологий. Реализация данной концеп-

ции сопровождается разработкой математико-статистических моделей отдельных насаждений и их совокупностей.

Решение задач исследования базировалось на использовании совокупности объектов, сформированных для двух ландшафтных провинций (Балтийского щита и Северо-Западной таежной провинции Русской равнины), трех подпровинций (двух южно-таежных и одной среднетаежной), трех ландшафтных округов и 34 ландшафтов [Исаченко, 1995].

Результаты анализа статистических показателей, характеризующих совокупности насаждений позволяет сделать вывод о значительно большей однородности и устойчивости данных совокупностей. Они характеризуются меньшей изменчивостью таксационных показателей (Бш, Нш, Ев и М), большей устойчивостью рядов распределения и высокими взаимосвязями;

Пример стандартной таблицы полнот и запасов для насаждений сосны в окончательном варианте приведен в таблице 4. Ее использование в пределах выделенных районов повысит точность определения полнот и запасов, что отвечает требованиям рыночной экономики и рационального использования ресурсов лесных экосистем.

Проведенные исследования показывают, что точность таксационных работ может быть существенно повышена использованием методически правильной группировки исходных материалов: в пределах единиц ландшафтной иерархии. Уровень природных территориальных комплексов, в пределах которых производится группировка материала, зависит от заданной точности и потенциально допустимых трудозатрат.

Таблица 4.

Фрагмент таблицы для определения средних диаметров древостоев по сред-

Средн. Бт (см) при Пк (дм):

выс. 15 20 25 30 35 40 45 50

м

5 6.0 6.5

6 7.2 7.6 7.9

7 8 8.7 9.4 9.2 10.2 9.4 10.8

9 11.8 12.0 12.9

10 12.6 13.2 13.6 13.8

11 14.2 14.8 14.9

12 14.9 15.5 15.9

6. Прогноз динамики лесов Ленинградской области до 2080 г.

Методика моделирование динамики и статики лесов Ленишуадской области Моделирование динамики таксационных показателей древостоев Ленинградской области выполнялось в соответствии с традиционными лесо-

таксационными, математико-статистическимн, объемно-матричными (модель EFISCEN - С (European Forest Information - Carbon)) моделями и геоинформационными технологиями в оболочках профессиональных ГИС «Mapinfo», «ArcView» и «ArcGIS». Объемно - матричная модель EFISCEN была доработана для оценки динамики запасов лесных экосистем исследуемого региона.

Таблицы 5

Фрагмент стандартной таблицы полнот и запасов для сосновых насаждений

Средн. Стандартные EG и M при относительной полноте:

G, M 0.8 0.7 0.6

м2 3 M м2 м3 м2 м3 м2 м3

5 18.4 72.3 16.6 65.1 14.7 57.8 12.9 50.6

6 21.2 88.1 19.1 79.3 17.0 70.5 14.8 61.7

7 23.3 107.2 21.0 96.5 18.6 85.8 16.3 75.1

8 25.3 123.1 22.8 110.7 20.1 98.4 17.6 86.1

9 26.8 140.4 24.1 126.2 21.4 112.2 18.8 98.2

10 28.1 158.3 25.3 142.5 22.5 126.5 19.7 110.7

11 29.2 176.5 26.3 158.8 23.4 141.2 20.4 123.6

12 30.1 192.2 27.1 172.8 24.1 153.6 21.1 134.4

13 30.5 205.9 27.7 185.3 24.6 164.8 21.5 144.2

Лесной фонд Ленинградской области был поделен на 4 группы преобладающих пород (сосна, ель, береза, а также «осина и другие лиственные»), каждая из которых была поделена на 2 класса: нормальной (1а-3) и пониженной (4-5а классы бонитета) производительности. Всего было сформировано 48 объектов моделирования, область в целом и пять хозяйственных районов.

Для каждого объекта моделирования были составлены ряды распределения площадей (га), средних запасов на 1 га растущего леса (м3 га"1) и среднего прироста (м3 га"1 год"1) по классам возраста.

Для получения достоверных результатов в модель необходимо ввести данные об интенсивности хозяйственной деятельности. Особенно - сведения об интенсивности различных рубок в прошлом и настоящем и особенностях возобновления леса.

В данной модели лес представлен в виде матрицы распределения площадей, отнесенных к определенным категориям в соответствии с группами бонитета, классов возраста и запаса.

Динамика лесов Ленинградской области до 2080 года. При прогнозировании динамики лесов Ленинградской области на длительную перспективу были просчитаны стандартные для такого рода моделирования ситуации [Nabuurs et al, 2007].

Результаты анализа динамики лесного фонда Ленинградской области и пяти выделенных районов за 50-летний период (1961-2012 гг.) свидетельствуют о систематическом увеличении запасов растущего леса и доли хвой-

ных (прежде всего - еловых) насаждений с повышением их возраста (возраст более шестидесяти процентов древостоев превышает 70-летний рубеж).

К настоящему времени запас растущего леса Ленинградской области составляет около 625 млн. м3, почти 200 млн. м3 из которых пригодны к эксплуатации. Наибольшая часть эксплуатационного фонда сконцентрирована в удаленных от центра восточных районах Ленинградской области.

Наиболее актуальным является прогноз лесопользования с сохранением наиболее ценных спелых и перестойных насаждений. Расчеты показывают, что при исключении особо ценных, структурно разнообразных перестойных насаждений (30%) можно вернуться к уровню лесопользования 20062010 гг. с последующим 3-ух процентным увеличением объема лесопользования в год. Такой режим лесопользования достигается путем выполнения всех намеченных лесоустройством видов рубок, а также тех рубок в молод-няках и средневозрастных, которые гарантируют получение деловой древесины.

Выводы. Все модели динамики лесного фонда на длительную перспективу показывают, что в регионе нет биологических ограничений на ускоренное восстановление и развитие лесного комплекса. Результаты оценки доказывают, что максимальная расчетная лесосека, обеспечивающая устойчивое развитие лесного фонда до 2080 г, составляет 12.7 млн. м3 в год.

Реализация данного сценария практически невозможна, так как инфраструктура лесного комплекса не может обеспечить ни экономическую, ни географическую доступность примерно 30% площадей.

Более реалистичной является расчетная лесосека, постепенно достигающая 9.3 млн. м3/год к 2080 году. Однако реализация данного сценария приведет к существенному увеличению площадей и накоплению запасов спелых и перестойных насаждений. Из расчета пользования можно исключить до 30% наиболее ценных (с точки зрения биоразнообразия) перестойных насаждений с сохранением и увеличением общего объема лесопользования. Непременным условием является совершенствование инфраструктуры и технологий, обеспечивающих проведение экологически безопасных рубок главного и промежуточного пользования.

Данные выводы подтверждаются и анализом баланса производства и расхода лесных ресурсов Ленинградской области.

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Рассмотрены особенности ландшафтной классификации территории опытного объекта и возможности использования закономерностей ПТК для распознавания объектов лесного фонда, определения их таксационной характеристики и тематического картирования с использованием материалов ДЗЗ.

Результаты анализа архивных, современных цифровых и многоканальных МДЗЗ позволили сделать вывод о том, что оцифрованные версии архивных и электронные форматы современных изображений земной поверхности пригодны для их использования для мониторинга лесов, сельскохозяйственных, селитебных и промышленных земель. В частности, для урегулирования имущественных отношений в области земельных ресурсов.

2. Совместное использование архивных и современных материалов ДЗЗ вызывает необходимость калибровки комплекта используемых для решения конкретных задач изображений: их геометрической коррекции, коррекции цветности, яркости, плотности, контраста и др. В результате исследований предложена методика калибровки материалов ДЗЗ для решения всего спектра задач, связанных с дистанционным мониторингом и хозяйственной инвентаризацией лесов Ленинградской области.

3. Все разработанные к настоящему времени профессиональные ГИС являются ограниченно пригодными. Необходимость обработки большого количества растровых изображений заставляет использовать комплект растрово - векторных ГИС. Для организации дистанционного мониторинга, моделирования, прогноза и непрерывной хозяйственной инвентаризации лесов необходимо использовать любую версию растровой ГИС «ПЖ1Б1» и векторно -растровые оболочки «Мар1пйэ» или «АтсвК».

4. Разработка методики автоматизированного дешифрирования показателей насаждений по оцифрованным аналоговым АКФС и нефотографическим цифровым снимкам базировалась на использовании формализованных признаков объектов дешифрирования и таких показателей, как коэффициенты спектральной яркости и оптической плотности, отдельных вегетационных индексов и их совокупностей.

5. Проанализирована проблема автоматизированной классификации (дешифрирования) архивных, современных цифровых и многоканальных аэрокосмических изображений с использованием методов распознавания образов при решении этих задач. Доказана перспективность классификации объектов и дешифрирования изображений с использованием эталонов.

6. Научно обоснованная группировка исходного материала и современные методы математико-статистической обработки обеспечивают высокую точность моделирования связей между таксационными и дешифровочными показателями насаждений и высокую достоверность результатов дешифрирования таких таксационных показателей, как средние диаметры, относительные полноты и запасы насаждений.

7. Объективные (с элементами автоматизации) методы дешифрирования позволяют определять запасы насаждений без занижения, присущего методам наземной измерительно-глазомерной таксации. Количество крон, их размеры, расстояния между деревьями, площади проекций крон и общие площади выделов - все эти показатели могут определяться ГИ-технологиями в интерактивных и автоматических режимах и результаты моделирования

обеспечивают получение достоверных данных о насаждениях и других категориях земель.

8. Использование матричных моделей динамики лесного фонда по крупным единицам административного деления предоставляет возможность многовариантного прогноза динамики лесного фонда с учетом хозяйственного воздействия на лесные экосистемы. Следовательно, результаты многовариантного прогнозирования могут и должны быть использованы для выбора экологически безопасного и экономически обоснованного лесо и природопользования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Нгуен Конг Чыонг, Мальцев Р. Научно - методическое обоснование необходимости совершенствования сети ООПТ субъекта федерации.//Научно

- технический журнал Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Вестник МАНЭБ). 12, № 8. Санкт - Петербург, 2010. с. 6-10.

Нгуен Копг Чыонг. Разработка геоинформационной системы «Лесное хозяйство Ленинградской области» // Научно - технический журнал. Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Вестник МАНЭБ). Т. 12, № 8. Санкг - Петербург, 2010. с. 14-19.

Нгуен Конг Чыонг, Якушева Т., Особенности лесохозяйственного районирования Ленинградской области. // Научно - технический журнал, международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (Вестник МАНЭБ). Т.12, №8. Санкг - Петербург, 2010, с. 24-29.

Нгуен Конг Чыонг, Мальцев Р., Борисенко Е. Оценка, совершенствование и апробация методики изучения динамики насаждений - объектов экологического мониторинга.// Информационные технологии в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном строительстве. 1.(14) Сборник статей сотрудников лесохозяйственного факультета по итогам законченных научно

- исследовательских работ. СПбГЛТУ,: СПб, 2014., с 29-32.

Нгуен Конг Чыонг, Мальцев Р., Буров В. Спектральные отражательные свойства растительности и вегетационные индексы ее состояния.// Информационные технологии в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном строительстве. 1.(14) Сборник статей сотрудников лесохозяйственного факультета по итогам законченных научно - исследовательских работ. СПбГЛТУ: СПб, 2014., с 38-43.

Нгуен Конг Чыонг, Мальцев Р., Любимова Татьяна. Разработка геоинформационной системы «Лесное хозяйство субъекта федерации» (на примере Ленинградской области)// Информационные технологии в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном строительстве. 1.(14) Сборник статей сотрудников лесохозяйственного факультета по итогам законченных научно -исследовательских работ. СПбГЛТУ,: СПб, 2014., с 68-72.

Нгуен Конг Чыонг, Фам Ань Кыонг, Любимова Т. Ю. Применение материалов дистанционных съемок и ГИС при инвентаризации особо охраняемых лесов.//Научно - технический прогресс в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном строительстве. 9(1). СПбГЛТУ,: СПб, 2013, с 68-71.

Нгуен Конг Чыонг, Т. Жукова, Д. Виноградова. Методика геоэкологической оценки урбанизированных территорий.// Научно - технический прогресс в лесном хозяйстве, охране природы и ландшафтном строительстве. Выпуск 10. Сборник статей сотрудников лесохозяйственного факультета по итогам законченных научно - исследовательских работ. СПбГЛТУ,: СПб, 2012., с 11-14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехнический университет, Ученому секретарю диссертационного совета.

Нгуен Конг Чыонг АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оргинал-макета 14.01.15 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная Уч.-изд. л. 1,0.Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 291. С.20а.

Санкт-Петербургский государственный лесотехническийуниверситет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3