Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ, ДИНАМИКИ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УОЛХ)

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ, ДИНАМИКИ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УОЛХ)"

Мёш

На правах рукописи

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ, ДИНАМИКИ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ЗБ МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УОЛХ)

06.06.02 — Лесоустройство и лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

НИКИФОРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ, ДИНАМИКИ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО И 31) МОДЕЛИРОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЛИСИНСКОГО УОЛХ)

06.03.02—Лесоустройство н лесная таксация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных иаук

Работа выполнена на кафедре лесной таксации, лесоустройства и геоинформационных систем Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова

Научный руководитель: доктор географических наук,

профессор Алексеев Александр Сергеевич

Официальные оппоненты; доктор сельскохозяйственных, наук ■

Мельников Евгений Сергеевич

кандидат сельскохозяйственных наук Березин Виктор Иванович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский научно-исследовательский

институт лесного хозяйства

Защита состоится 25 января 2006 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.220.02 в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М.Кирова по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д. 5, Главное здание, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии Автореферат разосландекабря 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Маркова И.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Применение математических методов и информационных технологий (IT) в лесоустройстве и лесном хозяйстве яшгяется актуальным на протяжении нескольких последних десятилетий. Это связано как с быстрым развитием IT-технологий и математических методов, так и их востребованностью со стороны отрасли, В настоящее время быстро развиваются и широко применяются как в научных исследованиях, так к на практике географические информационные системы (ГНС) и их современные разделы, связанные с применением приборов спутниковой навигации (GPS-технологии) для создания более точных электронных карт, трехмерное моделирование (3D) земной поверхности, математическое моделирование динамики лесного фонда, оптимизация использования лесных ресурсов и ряд других. Актуальность применения ГИС-технологий и связанных с ними методов и подходов объясняются необходимостью повышения качества управления лесными ресурсами.

Применение ГИС и связанных с ними технологий и математических методов к одному из старейших учебно-опытных лесхозов, в котором впервые в России в 1841 году было выполнено научно-обоснованное лесоустройство, представляется своевременной и актуальной задачей.

Цели в задачи диссертационного исследования Целями работы являются:

• Изучение и анализ динамики лесного фонда Лисинского УОЛХ за период с 1841 по 1993 год, длительностью более 150 лет,

• Классификация территории Лисинского УОЛХ на основе 3D модели поверхности рельефа. Анализ различий в структуре и продуктивности лесного растительного покрова выделенных территориальных единиц.

• Изучение возможности применения приборов спутниковой навигации GPS-технологий для геопозяционирования объектов лесного хозяйства и построения 3D модели поверхности рельефа.

• Оптимизация пространственного использования лесных ресурсов и расчёт рентных оценок участков лесного фонда.

В соответствии с указанными целями и для их реализации в диссертационном исследовании были поставлены следующие задачи:

1. Разработать информационно-поисковую геоинформационную систему Лисинского УОЛХ по картографическим материалам последовательных лесоустройств.

2. Разработать методику и выполнить анализ динамики лесного фонда Лисинского УОЛХ с применением ГИС-технологий, математического и 3D моделирования по картографическим материалам последовательных лссоуетройств методами составления и наложения карт лесного фонда,

3. Оценить роль хозяйственных мероприятий за весь период деятельности лесхоза по результатам анализа динамики лесного фонда Лисинского УОЛХ с применением ГИС-технологиЙ по картографическим материалам последовательных лесоуст-ройств.

4. Обосновать возможность применения GPS-технологий дпя построения 3D поверхности рельефа и совершенствования электронных карт.

5. Классифицировать территорию лесхоза с помощью 3D модели поверхности рельефа местности по признаку высоты над уровнем моря.

6. Проанализировать структуру и продуктивность лесного растительного покрова выделенных территориальных единиц.

7. Произвести расчет рентных оценок участков лесного фонда с использованием методов ГИС-технологий и математического моделирования.

Научная новизна

Новизна работы заключается в детальном анализе картографических материалов последовательных лесоустройств за более чем 150-летний период существования лесхоза с применением ГИС-технологий, В уточнении характеристик изучаемых объектов за счет использования ОР5-тдхнологий. Классификации территории лесхоза на основе ЗО модели поверхности рельефа и результатах анализа различий в структуре и продуктивности лесного растительного покрова. Определении рентных оценок участков лесного фонда.

Практическая значимость работы

Результаты диссертационного исследования могут быть использованы Лнсин-ским. учебно-опытным лесхозом для организации и проведения научных исследований и учебных практик. Разработанная ГИС-снстсма будет использована в дальнейшей научной работе и учебном процессе на кафедре «лесной таксации, лесоустройства и ГИС».

Личный вклад

Разработка П1С-системы учебно-опытного лесхоза, сбор и обработка исходных данных, разработка методик исследований, построение моделей исследований, анализ полученных данных и разработка рекомендаций были выполнены лично автором диссертации.

Обоснованность н достоверность результатов исследования

Обоснованность и достоверность результатов исследования основана на применении достоверных исходных данных, использовании проверенных матсматико-статистических методов, использовании профессионального, оборудования, программного обеспеченна и необходимого обьема нолевых измерений.

Апробации и публикация результатов

Результаты исследований, приведенные в диссертации, были представлены на 3 международных и 5 всероссийских научно-практических конференциях. Опубликовано 9 статей в сборниках научных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами и практическими рекомендациями, заключения и списка литературы из 152 наименований. Объем работы составляет 157 страниц. .■* 1 ■

2. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

В настоящее время лесное хозяйство без новых информационных технологий невозможно представить. ГИС и вРЗ-технологии стали неотъемлемыми инструментами для устойчивого управления лесами. Первые концепции по информатизации лесного хозяйства появились в конце 60-х годов. Лесное хозяйство и таксация леса не остались в стороне, и на данный момент они заняли прочные позиции в данной области. ГИС и ОРЭ-технолопш существенно ускоряют изыскательские работы, обработку полевых материалов, создание картографических и тематических материалов (лесотакса-цнонных планов, планшетов, таксационных описаний). Одно из определений ГИС звучит следующим образом; географическая информационная система (ГИС) определяет-

ся как программно-аппаратный комплекс, способный вводить, хранить, обновлять, манипулировать, анализировать и выводить все виды географически привязанной информации.

Проф. MJvf. Орлов считал, что лесоустройство — "совокупность технических действий, имеющих своей целью составление плана хозяйства для данной дачи". Также оп говорит: "работа по составлению плана лесного хозяйства является первой и неотложной, когда решено вести в той или иной даче правильное хозяйство". "Только при наличности плана лесного хозяйства возможно сохранить непрерывность в развитии и совершенствовании хозяйства..."(Орлов, 1927]. И по ссй день главными материалами лесоустройства являются плановые картографические материалы и таксационные описания, которые составляют картографическую и тематическую основу для создания ГИС.

Первые упоминания о ГИС для лесного хозяйства появились в 1993-1994 тдах, в которых дается описание структуры и функций геоннформанионных систем [Сухих, 1996; Китов, Михеев, 1999; Любимов, 2000].

ВВ. Корякин предложил методику повышения эффективности работы лесного комплекса [Корякин, 1997]. Главной задачей, по era мнению, является создание и эффективное использование цифровых лесных карт. Именно в цифровом виде карта представляет ценность, так как может быть использована любыми заинтересованными ведомствами.

В 1997 году на основе пакета W1NGIS разработанная ГНС-система СевероЗападным лесоустроительным предприятием была внедрена в опытном порядке во всех лесхозах Чувашии, в Московской, Нижегородской, Липецкой, Челябинской, Ленинградской областей [Кукуев, 1997J. А 9 июня 1998 года Приказом № 92 Федерала ная служба лесного хозяйства России приняла в эксплуатацию автоматизированную лесоустроительную гсоинформаци онну ю систему [Капишов, 1999].

ГИС повышают требования к созданию планово-картографического материала. В связи с этим возникает необходимость в получении оперативной и точной актуализированной информации о пространственном размещении природных объектов.

Начиная с 1998 году получают широкое применение GPS-технолопии и автоматизированные системы обработки данных дистанционного зондирования Земли [Страхов, Сысуев, 1998; Гоч, 1999; Любимов, Салминен и Вавилов, 1999].

A.B. Любимов и др. провели исследования по оценке точности пространственно определенных данных в ГИС. Исследования показали, что с увеличением разрешения растра, величина доверительного интервала позиционирования точек стабилизируется в пределах 20 метров. Чем сложнее линия, тем большей ошибкой позиционирования она характеризуется [Любимов, Тетюхин, Комисарова, 1999]. Тюрин, Антшен, Алексеев и др. провели анализ применения GPS-тсхнологий для решения специализированных задач отрасли [Тюрин, Бессараб, Кочанов, 2004; Апгонсн, 2004; Алексеев, Трей-фельд, Питухин, 2005].

Следующий этап в развитии ГИС-технологнй связан с разработкой дополнительных программных модулей для обработки и анализа накопленных пространственных данных [Воробьев, 2001; Любимов и др., 2000; Алексеев, Черняховский, 2002; Сысуев, Шзрый, 2000; Носенко, 2005]. Появляются такие npoipaMMM как "Surfer", "Spatial Analysis", "3D Analysis", "Vertical Mapper", "GISECO", где используются численные модели рельефа, полученные на основе информации с топографических карт. A.C. Алексеевым и Д.М. Черняховским разработана методика для определения фрактальной размерности рельефа, которая определяется на основе.-метода поля высот.

Данная методика позволяет вычислять площади лесных ландшафтов с учетом формы поверхности рельефа. ■

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Согласно плану диссертации была разработана П1С-система для анализа динамики лесного растительного покрова Лисинского УОЛХ. Методика создания ГИС состоит из следующих эхапов:

1. Сбор картографических материалов, тематических описаний, литературных источников;

2. Предварительная обработка всех картсч рафических и л есотаксационных материалов;

3. Сканирование картографических материалов;

4. Географическая привязка картографических материалов;

5. Геокодированне и оцифровка картофафическнх материалов;

6. Создание базы данных лесогаксациошшх показателей;

7. Создание тематических карт.

Для создания ГИС били собраны следующие картографические материалы: планы лесонасаждений за 1841, 1890-91, 1963, 1983, 1993 года, топографическая карта Ленинградской области и Лисинского учебно-опытного лесхоза, геологическая карта Ленинградской области, агрохимическая карта Ленинградской области, геохимическая карга почв Ленинградской области, карта геохимического районирования Ленинградской области, карта лссохозяйствснных предприятий и ландшафтов Ленинградской области.

Выполнена предварительная обработка всех картографических и лесотаксаци-онных материалов. Картографические материалы отсканированы в цвете и с высоким разрешением. Так как сканер меньшего размера, чем сама карта, то иршилось «сшивать» листы в программе "PhotoShop", для получения единого листа каргы. В результате созданы растровые основы карто!рафических материалов.

Осуществлена географическая привязка всех полученных материалов с помощью GPS-лриемника. Все координаты точек для привязки были получены непосредственно в Лисинском учебно-опыпгом лесхозе во время полевых изысканий. Выполнено геокодирование и оцифровка указанных выше картографических материалов.

Создана база данных лесотаксашюнных показателей для оцифрованных планов лесонасаждений и других электронных карг. Информация базы данных связала с картографической информацией.

Разработана методика полевых работ по применению GPS-технологий, которая состоит из следующих этапов;

• проведение замеров координат и высотной отметки;

• проведение анализаполученныхрезультатов;

• построение 3D модели рельефа территории с применением GPS-технологий.

Выполнение замеров GPS-координат в полевых условиях производилось в следующей последовательности:

1. установка прибора непосредственно над выбранной точкой;

2. включение прибора и запуск программы;

3. определение положения спутников, их регистрация;

4. оценка схемы спутников (необходимо равномерное размещение спутников и чтобы было максимальное количество ведущих прием-передачу) и показателя

спутниковой геометрии, который должен быть в идеальном случае равен I;

5. определение координат широты и долготы, снятие показаний прибора необходимо производить при прекращении изменения значений;

6. определение высотной отметки, если высвечивается режим 3D и количество спутников ведущих прием-передачу данных не менее 4;

7. для выполнения определения GPS-координат следующей точки необходимо вы-кточтъ прибор и перейти на следующую точку.

4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Лнсинский учебно-опытный лесхоз расположен в 50 км к юго-востоку от Санкт-Петербурга в центральной части Тосненского административного района Ленинград* ской области. Территория лесхоза представляет собой компактный лесной массив протяженностью с севера ш юг 34 км и с запада на восток 18 км. Общая площадь лесхоза, по данным лесоустройства 1993 г., составляет 28 384 га.

Все леса лесхоза отнесены к I группе и включены в зеленую зону г. Санкт-Петербурга. С 1984 г. в особую категорию защитности выделены леса на площади 9093 га, имеющие научное или историческое значение.

Основная часть территории лесхоза занята естественными насаждениями, занимающими 94% площади; на долю искусственных насаждений, по данным лесоустройства 1993 г., приходится 6% покрытой площади, или 16S3 га. Кроме того, площадь не-сомкнувшихся культур, т. е. культур последних 5 лет, составляет 116 га. Непокрытая лесом площадь составляет лишь 577 га и представлена преимущественно необлесив-шимися вырубками последних лет, гарями и погибшими насаждениями.

Преобладающими древесными породами на территории лесхоза являются ель обыкновенная, занимающая 33%, затем сосна обыкновенная - 30%, береза пушистая и поникшая - 24%, осина - 12% и ольха черная и ссрая - 1% покрытой лесом площади. Произрастают и другие древесные породы как искусственного (лиственница, кедр, пихта, дуб, ясень, клен, липа), так и естественного (ольха черная, липа) происхождения, однако занимаемая ими площадь составляет менее 1%.

Распределение площади всех насаждений по классам возраста довольно равномерное, что положительно характеризует многолетнюю лесохозяйственную деятельность лесхоза.

Рельеф территории лесхоза представляет собой плоскую слегка волнистую равнину, слабо наклоненную к востоку и юго-востоку а сторону р. Тосно. Абсолютные высотыв пределах лесхоза колеблются от 35 до 70 м над уровнем моря.

5. ПРИМЕНЕНИЕ GPS-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ 3» ПОВЕРХНОСТИ РЕЛЬЕФА И УЧЕТА ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ ЗА СЧЕТ УТОЧНЕНИЯ ПЛОЩАДЕЙ И ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ.

Для апробации разработанной методики осуществлены полевые работы, которые включают в себя: выбор опорных точек и характерных объектов лесного хозяйства, которые могут быть точечными (отдельно стоящее дерево), линейными (лесные дороги) и площадными (лесотаксационные выдела, кварталы).

Для выполнения работы были применены следующие технические и программные средства. GPS-приемник Compact GPS фирмы PRETEC, антенна РКЕТЕС, портативный компьютер HP IPAQ hx2410, ноутбук Toshiba Satellite 2435-S255 и программ-

нос обеспечение GPS-DEMO v.l.О для PocketPC, предоставленное с GPS-приемншсом и навигационный комплекс OziExplorcr v.3.95.

Отобрано 28 характерных точек, равномерно распределенных по территории лесхоза. На каждой точке производилось по 15 замеров тремя комплектами оборудования, всего выполнено 1230 замеров точек координат в системе WGS-84 и их высотных отметок. Полученные результаты проверены и систематизированы, после чего выполнен анализ данных. Рассчитаны ошибки определения положения объектов лесного хозяйства.

При использовании портативного компьютера с GPS-приемником совокупная погрешность определения GPS-коордннат составила $,82 метра. А при использовании ноутбука с GPS-приемником совокупная погрешность определения GPS-координат получилась 2,57 метра. Разницу в значениях можно объяснить использованием аппаратных ресурсов компьютера при выполнении сложных математических расчетов. Соответственно, данные, полученные с помощью ноутбука, являются более точными.

Высотная отметка была определена тремя способами. Наиболее точным оказался способ при использовании ноутбука с G PS-приемкиком с антенной, разброс значений в данном случае был минимален и составил в среднем 3,8 метра, в то время как при использовании без aineinibi разброс составил 5,02 метра. При использовании портативного компьютера с GPS-приемником величина разброса составила 7,4 метра. В связи с этим рекомендуется использовать ноутбука с GPS-приемником с внешней антенной для получения наиболее полной п точной информации.

IIa основе полученных данных установлена возможность использования высотной отметки для построения 3D модели поверхности рельефа. Выполнена привязка планов лесонасаждений и уточнение уже привязанных картографических материалов для повышения точности и достоверности данных по измеренным GPS-координатам.

б. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЛЕСНОГО ФОНДА ЛИСИНСКОГО УОЛХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ.

6.1. Анализ динамики площадей и периметра Лосинского УОЛХ

По оцифрованным планам лесонасаждений выполнен анализ динамики площадей по лесхозу в целом и по каждой из дач в отдельности.

Во-первых, средствами ГИС были определены площади и периметры границ дач и Лнсииского учебно-опытного лесхоза в целом за период с 1841 по 1993 годы. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Из данных табл. 1. видно, что площадь Лисинской дачи в целом сильно не изменялась за изучаемый период времени, так наибольшее увеличение площади имело место в 1891 году и составило 4.95% по сравнению с 1841 годом, последующие изменения составляли величину мепее 1%.

Из материалов табл. 1. так же следует, что периметр изменялся соответственно изменению ограничиваемой им площади. Наибольшее изменение площади и периметра происходило в Ижоро-Тоснснской даче, что повлияло на значения площади и периметра для лесхоза в целом.

В результате анализа картографических материалов средствами ГИС было получено, что площадь Лисинской дачи в 1841 году составляла 22071,4 га. После сравнения с планом лесонасаждений за 1891 тд установлено, что площадь Лисинской дата увеличилась до 23164,5 газа счет добавления земель, примыкающих к даче с востока. В то же время из площади дачи были выделены земли крестьян деревни Неникюль и

пос. Лисино, расположенные в ее цеигре, а также сделан землеотвод под Балтийскую железную дорогу и станционные постройки в северной части Лисикской дачи.

Таблица 1.

Динамика площади и периметра Лисинского УОЛХ _по картографическим материалам._

Наименование дач Едшошы намерений Планы лесонасаждений, год

1841 1891 1963 1983 1993

Лисине кая площадь, га 22071,40 23164,50 23002,50 23099,00 23015,8 0

% 100,00 104,95 104,22 104,66 104,28

периметр, км 125,80 121,80 124,30 124,40 127,00

% 100,00 96,82 98,81 98,89 100,95

ИжороТосиенекая площадь, га 1596,12 1757,15 1799,28 1791,92

% 100,00 110,09 112,73 112,27

периметр, км 24,74 30,98 28,25 28,04

% 100,00 125,22 114,19 113,34

Машинская площадь, га - 2150,79 2148,70 2165,35

V* - 100,00 99,90 100,68

периметр, км . - 36,12 36,15 36,29

% - 100,00 100,08 100,47

Гришкидокая площадь, га - 1261,31 1265,88 1249,48

% - 100,00 100,36 99,06

периметр, км - 20,87 20,66 20,62

% - 100,00 98,99 98,80

Итого по лесхозу площадь, га 22071,40 24760,60 28171,80 28312,80 28222,4 0

% 100,00 112,18 127,64 12ВД8 127,87

периметр, км 125,80 135,00 157,60 154,50 157,30

% 104,00 107,31 125,28 122,81 125,04

В 1963 году из площади Лисинской лесной дачи был выполнен землеотвод под железную ворогу Санкт-Петербург - Новгород, станционные постройки и автомобильную дорогу Лисино-Корпус - Вырица, Лисино-Корпус - Форносово, Лисино-Корпус -Каменка, Лисино-Корпус - Тосно, в результате чего площадь Лисинской дачи уменьшилась до 23002,5 га.

В 1983 году площадь Лисинской дачи увеличилась по сравнению с планом 1963 года до 23099,0 га. В 1993 году в северной части Лисинской дачи были отведены земли в пользование населенного пункта Форносово и под автомобильную дорогу Ульяновка - Сусаннино, в результате чего се площадь уменьшилась до 23015,8 га.

Ижоро-Тоснепская дача вошла в состав лесничества в 1874 году, ее площадь по картографическим материалам 1891 года составила 1596,12 га. Существенное изменение границы произошло в юго-западной части дачи и площадь к 1963 году составила 1757,15 га., в дальнейшем граница немного выпрямилась, к 1983 и 1993 годам площадь Ижоро-Тосненской дачи составила соответственно 1799,28 н 1791,92 га.

11а плане 1963 года видно, что по сравнению с более ранним планом, была присоединена Мапганская дача, ее площадь 2150,79 га. Часть территории Машинской дачи передана в землепользование совхозу "Большевик", выполнен землеотвод под железную дорогу Санкт-Петербург - Новгород и автомобильную дорогу. Территория, нахо-

дящаяся в землепользование совхоза "Большевик", в 1983 году перешла в землепользование совхоза Тосненский". А в 1993 году земля, отведенная совхозу "Тосненсхий", перепала АО Марьино.

Также на плане 1963 года отображено, что по сравнению о более ранним планом, была присоединена Гриткинская дача, ее площадь 1261,31 га. Границы дачи практически не изменились. Ее площадь составляет в 1983 году 1265,88 га, а в 1993 юду-1249,48 га.

Лисинская дача обладает современными очертаниями на плане с 1891 года, ее площадь подвергалась с этого года изменениям, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, что связано с выделением земель под железные, автомобильные дороги и предприятия. Площадь Ижоро-ТоспенскоЙ дачи на планах с 1963 года изменялась незначительно. На картах 1891 и 1963 годов заметны отличия, в 1963 году были добавлены земли с востока. Внешняя граница Мапщнской и Гришкинской дачи не изменилась с 1963 года.

6.2. Распределение площадей по основным категориям земель.

В ходе диссертационного исследования выполнен анализ динамики площадей Лисинского УОЛХ по основным категориям земель. Для этого была использована ГНС на повыдельном уровне детализации, состоящая из картографического материала и привязанной к ней базы данных. В итоге получены тематические карты насаждений, которые были подвергнуты анализу.

Ёыло установлено, что в целом по лесхозу происходило увеличение площади хвойных насаждений до 16367,7 га в 1993 году (рис. 1), что связано с увеличением площади лесхоза. Площадь листвешшх насаждений колебалась в пределах от 89933 до 9744,0 га.

Рис. 1. Динамика площадей хвойных и лиственных насаждений Лисииского УОЛХ по годам учета.

Несмотря на изменение площади лесхоза, за период с 1841 по 1993 год процент хвойных насаждений оставался неизменным (приблизительно 58%), а процент лиственных уменьшился с 41% до 32% (рис. 2). Заметно увеличился процент нелесных и непокрытых лесом земель (с 1,2% до 6,7% и с 0% до 2,3% соответственно).

Анализ размещения древостоев по территории лесхоза показывает, что происходит фрагментация лесного растительного покрова и пространственное смешивание хвойных н лиственных насаждений.

70,00 «0.00

Внетоярытъ* лфсом □ нблесмыв

1вМ »91 1963 1993

Рис. 2. Динамика структуры площадей лесного фонда Лиси некого УОЛХ.

Динамика соотношения площадей насаждений сосиы и ели Лисииского УОЛХ представлена иа рис. 3. Так же, как и нрн рассмотрении соотношения площадей насаждений сосны и ели Лисинской дачи, для лесхоза в целом в период с 1841 по 1891 год породы поменялись местами по доле площади. В последующий период времени их доли в площади хвойных почти сравнялись при небольшом преобладании доли древо-стоев ели (около 52%).

Параллельно изучены литературные источники, которые подтвердили, что в период с 184! по 1891 годы на территории лесхоза происходили сильные пожары и значительные повреждения еловых древостосв еловым короедом. Поэтому произошла резкая смена пород, которая имела место вследствие распространения сосновых древо-стоев на вырубках и пожарищах. Сосна затем была вытеснена елью на значительной доле площади уже естественным путем. Следовательно, данный метод анализа является достоверным.

6.3. Модель динамики перехода земель из категории в категорию.

Модель динамики перехода из категории земель в категорию представляет собой систему балансовых лилейных уравнений.

ОСосн* ■ Ел»

1841 год 1691 год 1063 год 1993 год ГОД"

Рис. 3. Динамика соотношения площадей насаждений сосны и езш Лисииского УОЛХ

где:

определяется на основе разностей площадей 1 по годам учета, Н],...,п;

I*

^ЧА * приходных площадей из ]-ой в ¡-ую категорию земель, 1-1,...,п^=1,...,п; - расход Ьых площадей га 1-ой в]-ую категорию земель ¡=1,...,п,|=1,„.,п;

у-1

- площадь по категориям земель,

- коэффициенты скоростей переходов площадей из ¡-ой категории в^-ю категорию

1/год.

Коэффициенты скоростей переходов были рассчитаны по балансу площадей для смежных моментов времени (табл. 2),

Динамика перехода площадей для периода с 1841 по 1891 год была следующей: пропент площади, занимаемый лиственными насаждениями, уменьшился за данный период с 41,03% до 36,32%, площадь »4,71% перешла в хвойные, непокрытые лесом» нелесные категории земель. Площадь, занимаемая лиственными насаждениями, перешла в нелесную, это связано с отчуждением земель под поселок и железную дорогу. Переход лиственных насаждений в непокрытую лесом площадь объясняется вырубкой на местные нужды, в том числе на дрова. Смена лиственных насаждений хвойными может быть объяснена их естественной динамикой, в ходе сукцессии, а также уходом за лесом, со скоростью 0,00073 _1/период. Наиболее высокие скорости переходов имеют место для переходов из лиственных насаждений в непокрытые и нелесные земли (0,053 1/период и 0,061 1/лериод соответственно).

Таблица 2

Коэффициенты скоростей переходов площадей из категории В категорию

Период Коэффициенты скоростей переходов площадей из категории в категорию

184 Ы <91 год "-\перем>д сц. и<м. ^^ земли покрытие ляет-венньемн перепит * хвойные земля покрытые лист^ вециыыи перешли ь иецогритые лесом земли покрытые лиственными перещлн в пелес кые земля

1 /период 0.00073 0,053 01,061

1/год 0,000015 0.0011 0.0012

1891-1963 год "---^переход ел. юн. земли докрыты» хвойными перешли в кецесиые земли земли покрытые лиственными перешли в нелесные земли земли непокрытые лесом перепит в нелесные земли

1 /период 0,026 0.048 0.52

1/год 0,00037 0,00066 0.0072

1963-1993 ти ^\переход ел. пан. эемяи покрыты« лиственными перешли в хвойные келесные земли перо-шли в категорию покрытых каойиымн нелесяые земли перешли в непокрытые лесом

1 /период 0,048 0,011 0,16

1/гол 0,0016 0.00037 0,0053

Для периода с 1891 по 1963 год видно, что процент площади нелесных земель увеличился с 3,74% до 8,11% за счет снижения процента площади хвойных, лиственных и непокрытых лесом земель. Это связано с отчуждением из лесных земель (хвойных, лиственных насаждений и непокрытых лесом) в нелесные земли под строительство предприятий (совхоз «Большевик»), железной и автомобильных дорог. С наивыс-

шей скоростью (0,52) происходит переход из непокрытых лесом в нелссные земли, а из хвойных и лиственных насаждений со скоростью в 20 и 10,& раз медленнее (0,026 и 0,048 соответственно для данного периода), что связано с тяжелым послевоенным положением в стране, когда часть лесных земель была передана совхозу.

Для периода с 1963 по 1993 год выявлено, что процент площадей лиственных насаждений уменьшился с 34,59% до 32,95%, в результате перехода в хвойные, также в хвойные насаждения перешла часть площади нелесных земель. Оставшаяся часть нелесных земель перешла в категорию непокрытых лесом. Процент площади нелесных земель снизился с 8,11% до 6,73%, Нелесные земли перешли в категорию непокрытых лссом, что происходило с наивысшей скоростью для этого периода (0,16 1/период), а часть в категорию хвойных насаждений. Смена лиственных насаждений хвойными может быть объяснена их естественной динамикой. Скорость перехода лиственных насаждений в хвойные составила 0,048, что почти в четыре раза больше, чем из нелесных земель 0,011. Переходы из нелесных земель в непокрытые лесом н в покрытые хвойными насаждениями связаны с искусственным (несомкнувшиеся лесные культуры) и естественным возобновлением насаждений на совхозных землях, отведенных после войны.

7. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ПРОДУКТИВНОСТИ ЛЕСНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА НА ОСНОВЕ 30 МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ.

В ландшафтной экологии считается общепризнанным значительное, а во многих случаях и определяющее, влияние рельефа на структуру и продуктивность лесного растительного покрова [Исаченко, 1998; Киреев.2000]. Рельеф местности представляет собой постоянно действующий косвенный экологический фактор, в значительной мере детерминирующий энерго-массо-обмен в лесных экосистемах [Алексеев, Чериихов-скнй, 2001; Черниховский, Алексеев, 2003] и, таким образом, влияющий па характеристики их растительного компонента.

Для проведения анализа структуры и продуктивности лесного растительного покрова создана ЗО модель поверхности рельефа, которая была построена на основе топографической карты в программной среде Мар1нГо 7.8. Визуальный анализ ЗЭ модели поверхности рельефа лесхоза позволил установить наличие четырех компактных, явно выделяющихся частей в составе территории лесхоза различающихся высотой над уровнем моря, что и позволило выделить территориальные единицы, приведенные на рис. 4,

Для выделенных единиц изучались различия представленности горных пород с использованием карты Б.О. Землякова, а также различил в структуре и продуктивности выделенных территориальных единиц на основе тематических и лесотаксациокных данных.

Анализ карты представленности горных пород показал, что три из них: валунные суглинки, ленточные глины и торф занимают наибольшую часть площади лесхоза и закономерно различаются по представлашости в четырех выделенных территориальных единицах (рис. 5).

. Таким образом, с увеличением высоты над уровнем моря закономерно сокращав стся площадь ленточных глин (с 89 % площади до 0 %) и растет представленность валунных суглинков (с 2 % до 57 %) и торфа (с 3 % до 27 %). Также с увеличением высо-

ты над уровнем моря растет представленность песков (валунных и озерных) и убывает площадь аллювиальных отложений.

Территориальные единицы прсигумерованы от низко расположенных к высоко расположенным:

1 территориальная единица расположена на высоте менее 50 метров над уровнем моря;

2 -от50до60метров;

3 —от 60 до 70метров;

4 - более 70 метров.

Рис. 4. Территориальные единицы Лисиыского учебно-опытного лесхоза, выделенные на основе анализа ЗВ модели поверхности рельефа.

Рис. 5. Распределение площади горных пород по территориальным единицам а) ленточных глин, 6) валунных суглинков, в) торфа (% от площади территориальной единицы).

Анализ распределения покрытой лесом площади по категориям земель показал, что болота на территории Лисинского УОЛХ преимущественно верховые и переходные., Земли сельскохозяйственного назначения расположены преимущественно на пониженных (пойменных) участках рельефа, в то время как лесные культуры, наоборот, на повышенных. ' „

территориальные единицы

а) б)

Рис. 6. Распределение площади а) болот, б) земель с/х назначения (% от площади территориальной единтш).

Исследования распределения серий типов леса показали, что процент площади леса с оптимальным увлажнением (зеленом отной серии) снижается с ростом высоты над уровнем (рис. 7.а), насаждения с проточным увлажнением (рис, 7.6), закономерно располагаются на повышенных участках территории лесхоза, насаждения с застойным увлажнением больше представлены на повышенных участках терр1ггории, что также закономерно по причине преобладания на территории лесхоза верховых болот.

а) б)

Рис, 7. Распределение площади лесов разных серий типов леса по территориальным единицам; а) с оптимальным увлажнением, б) с проточным увлажнением (% от площади территориальной единицы).

Результаты анализа представленности насаждений с разным типом условий места произрастания, определяемом по степени увлажнения, показывают, что процент площади со свежими условиями места произрастания (рис. 8.а) снижается с ростом высоты над уровнем моря (с 53% до 41%). Влажные, сырые и мокрые места обитания имеют тенденцию к увеличению в составе площади территориальных единиц по мере их возвышения в связи с преобладанием верховых болот на территории лесхоза (рис. 8.6).

а) б)

Рис. 8. Распределение площади лесов с разным режимом увлажнения по территориальным единицам: а) свежая, б) мокрая (% от площади территориальной единицы).

Наличие участков с бедными условиями места произрастания (рис. 9) закономерно растет с увеличением высоты над уровнем моря (с 17% до 38%), и, соответственно наоборот, при снижении последней растет площадь богатых мест обитания (с 78% до 58%), в связи с аккумуляцией питательных веществ преимущественно на пониженных участках рельефа местности. Эти результаты хорошо согласуются с выявленной ранее закономерностью о преимущественном расположении на пониженных участках рельефа в лесхозе земель сельскохозяйственного назначения, под которые исторически отводятся наиболее богатые и продуктивные почвы.

терреторйвпьндо единицы

у--5,тт1^ч- КН.*

¿1'» 0,7483 1

_ ■я. _

- Ка -

* л

-пздмггсрнолыше единицы

Рис, 9. Распределение площади лесов с бедными почвами по территориальным единицам (% от площади территориальной единицы).

Рис. 10. Распределение площади лесов с 1-3 классами бопнтета по территориальным единицам (% от площади территориальной единицы).

С увеличением высоты над уровнем моря происходит снижение процента площади занимаемой насаждениями высоких классов бонитета (с 92 % до 74 %) (рис. 10), соответственно растет процент низкобонитетных насаждений (с 8 % до 26 %), где располагаются бедные почвы и верховые болота с застойным увлажнением.

Процент площади занимаемой елью и осиной снижается с ростом высотой отметки, для ели с 36 % до 29 % от площади территориальной единицы, а для осины с 19 % до 7 %. Осина находится на пониженных участках с богатыми почвами, вдоль рек "Тосно" и "Сердце" (рис. 11.6). Сосновые насаждения преимущественно распределены на повышенных участках (рис. 11 .а), процент площади возрастает с 24 % до 42%,

территориальные единицы

а) б)

Рис. 11. Распределение площади с разными преобладающими породами по территориальным единицам: а) сосна, б) осина (% от площади территориальной единицы).

Средний общий запас на гектар уменьшается с ростом высоты территориальных единиц (с 225 до 202 м3/га) (рис. 12), что подтверждают выявленные выше закономерности.

Рис. 12. Распределение среднего общего запаса на 1 га покрытой лесом площади по территориальным единицам

Таким образом, в результате исследования территория была классифицирована на четыре территориальных единицы, каждая из которых различается по высоте над уровнем моря, геологическим породам, типам условий местопроизрастания, породам, запасам, бонитетам. Выполненный анализ подтверждает возможность классификации территории лесхоза по форме поверхности рельефа.

8. РАСЧЕТ РЕНТНОЙ ОЦЕНКИ УЧАСТКОВ ЛЕСНОГО ФОНДА С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ И МЕТОДА ЛИНЕЙНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

В основу расчетов рентой оценки участков лесного фонда положена модель пространственной оптимизации использования лесных ресурсов, представляющая собой задачу линейного программирования [Алексеев, Потеха, 2002]:

N

ы

где:

x¡ • размер пользования по площади на участке (выделе) i, 1 = га;

N - число рассматриваемых участков (выделов);

ai - запас древесины на участке (выделе) i в обезличенных кубометрах, м3/га; S¡ - площадь участка (выдела) i, га; ' ,".

gi - прибыль от лесопользования на 1 га участка (выдела) ], рубУга; b - величина расчетной годичной лесосеки, м3.

Фактические данные получены в планово-финансовом отделе Лисннского учебно-опытного лесхоза. Для выполнения расчетов потребовались: затраты на заготовку 1 м3 составляют 171 рубУм3, на транспортировку 1 м3 на 1 км - 37,42 руб./м3 км, цена обезличенного 1 м древесины - 436 руб. и сумма затрат на проведение ^ всех лесохозяйственных мероприятий по леехту-1209641 руб.

Размер расчетной лесосеки по главному пользованию определен лесоустройством 1994 года в размере 52,5 тыс.м1, утвержден Приказом Федеральной службы лесного хозяйства России от 19.03.1997 г. Jís 40.

Основными параметрами, влияющими на величину рентной опенки лесных, участков, являются их местоположение относительно транспортной сети и продуктивность. Транспортная доступность определяется расчетом минимального расстояния вывозки от лесных участков до нижнего склада. Продуктивность лесного участка характеризуется его запасом.

Задача была решена для 13 выделов Лисинского УОЛХ, отведенных в сплошную рубку в программном комплексе «LINDO Inc. LINGO» версия 9.0.

Таблица 3.

Результаты расчета рентной опенки_

Видел площадь, га Используемая площадь, га Неиспользуемая площадь, га Рентная оценка, рубЛа Рентная оценка tía выдел, руб.

I 18 0.4 17,6 227,12 90,8

2 36 36 0 31275,63 1125923

3 13 13 0 35489,93 461369,1

А 12 12 ■ 0 44158,89 529906,7

5 II II 0 73135,67 804492,4

6 10 10 0 72589,87 725898,7

7 10 10 0 86660,08 866600,8

8 И 11 0 79596,74 875S64.1

9 9,5 9,5 0 70311.67 667960,9

10 9,5 9,5 0 77182,68 733235,5

м (0 10 0 115213,2 1152132

12 18 18 0 80927,87 1436702

13 8,1 8,1 0 125885,7 1019674

Итог» 176,1 158.5 17,6 104 ¡9549

В результате решения задачи линейного программирования был определен суммарный размер ренты для расчетной лесосеки, который составил 10419549 рублей (табл. 3). Размер суммарной ренты для всей расчетной лесосеки в 8,6 раза превышает сумму затрат на проведение всех лесохозяйственных мероприятий в лесхозе (1209641 руб.), и может являться источником формирования лесного дохода для неинфляционного финансирования лесного хозяйства и всех сопутствующих расходов, таких как научная деятельность, подготовка кадров и т.д.___

9. ВЫВОДЫ

1. Разработана геоинформационная система для Лисинского учебно-опытного лесхоза iio картографическим материалам последовательных лесоустройств, охватывающих период существования лесхоза с 1841 года по 1993 год.

2. Изучена динамика характеристик лесного фонда Лисинского УОЛХ на интервале времени 1841 - 1993 гг. За это время имели место как положительные, так и отрицательные тенденции. К положительным относится то, что доля площади хвойных пород в составе лесного фонда Лисинского УОЛХ оставалась величиной постоянной и происходило сокращение доли площади лиственных пород. Отрицательной стороной является следующее: массивы лиственных и хвойных пород, ранее существовавшие более или менее раздельно, с течением времени пространственно смешиваются. Прослеживается во времени явление усиливающейся фрагментации лесного растительного покрова, его расчленение на все более мелкие по площади части - фрагменты, В целом, динамика структуры площадей лесного фонда Лисинского лесхоза может рассматриваться как положительная.

3. Изучена возможность применения приборов GPS для reo позиционировал шя объектов лесного хозяйства. Разработана методика применения GPS-прибора и выполнен анализ точности определения координат. Замеры выполнены тремя комплектами оборудования; портативным компьютером с GPS-приемником, ноутбуком с G PS-приемником и ноутбуком с GPS-приемником с антенной. Совокупная погрешность определения GPS-коордннат была минимальной при использовании ноутбука с GPS-приемником и составила 2,57 метра. Высотная отметка определялась аналогично. Наиболее точными были получены результаты с применением ноутбука с GPS-приемником с антенной, разброс значений составил 3,8 метра. Полученные показатели точности удовлетворяют необходимым требованиям для составления основных нлано-во-картографических материалов.

4. Произведена классификация территории Лисинского УОЛХ на четыре территориальные единицы по высоте над уровнем моря, которые для условий данного лесхоза статистически достоверно различаются не только высотой над уровнем моря, но и по представленности горных пород, типов леса, типов условий местопроизрастания, преобладающих древесных пород и продуктивности. Поэтому целесообразно закрепить указанные территориальные единицы в качестве ггостояшплх учетно-хозяйственных единиц.

5. На основе специальной модели линейного программирования и ШС-технологиЙ произведен расчет рентных оценок участков лесного фонда Лисинского УОЛХ. Установлено, что суммарная рента с избытком покрывает все затраты на ведение лесного хозяйства в лесхозе.

Основные положепия диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алексеев A.C., Заяц А.М., Никифоров A.A.. Геоинформационная система учеб* но-опытного лесхоза // Труды VI-й международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлению). -СПб.: СПб!"11 У, 2002. -С.347-349,

2. Никифоров A.A. Разработка информационной системы Лисинского УОЛХ с применением ГИС-технологий // Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск б. -СПб.: СПбЛТА, 2002. -С. 54-59.

3. Алексеев A.C., Никифоров A.A. Анализ структуры лесного фонда Лисинского УОЛХ (Ленинградская область) по типам леса н условиям местопроизрастания с использованием 3D модели поверхности рельефа // Лесной комплекс: состояние и перспективы развития. Сборник научных трудов. Выпуск 5, —Брянск, 2003. -С. 82-88.

4. Алексеев A.C., Никифоров A.A. Использование 3D модели для анализа свойств лесного растительного покрова Лисинского УОЛХ // Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 200-летию Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии. -СПб.: СПбЛТА, 2003. -С. 125-130.

5. Алексеев A.C., Никифоров АЛ. Анализ разномасштабного картографического материала с целью получения достоверных данных о границах природных объектов с применением ГИС-технологий // Труды УШ-Й международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении». -СПб.; СПбГПУ, 2004.-С. 161-162,

6. Никифоров A.A. Использование модулей ArcGIS 3D и Spatial Analist для анализа 3D поверхностей рельефа лесных ландшафтов // Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. -СПб.: СПбЛТА, 2004. -С. 22-27.

7. Алексеев A.C., Никифоров АЛ. Анализ характеристик лесного фонда Лисин-ской лесной дачи Лисинского учебно-опытного лесхоза с 1841 по 1993 годы по картографическим материалам с применением ГИС-технологий // 200 лет практической подготовки студентов в лисинском учебно-оцьпном лесхозе: материалы всероссийской конференции / СПбЛТА. -СПб.: СПбЛТА, 2005. -С. 74-90.

8. Никифоров АЛ. Разработка методов инвентаризации объектов садово-паркового хозяйства с применением GPS-технологий. // Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии. -СПб.; СПбЛТА, 2005. -С35-37. (в печатн)

9. Никифоров АЛ. Применение Vertical Mapper для анализа 3D поверхностей рельефа.// Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 174. -СПБ :СП6ЛГА, 2005. (в печати)

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

НИКИФОРОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 21.12.05. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ.л.1,25 Тираж 100 экз. Заказ №322. С 23а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издагельско-полиграфический отдел СПбГЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3