Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Дистанционный метод оценки формирования молодняков на залежах Марийского лесного Заволжья по спутниковым снимкам

ВАК РФ 06.03.02, Лесоустройство и лесная таксация

Автореферат диссертации по теме "Дистанционный метод оценки формирования молодняков на залежах Марийского лесного Заволжья по спутниковым снимкам"

На правах рукописи

Лежнин Сергей Анатольевич

ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОД ОЦЕНКИ ФОРМИРОВАНИЯ МОЛОДНЯКОВ НА ЗАЛЕЖАХ МАРИЙСКОГО ЛЕСНОГО ЗАВОЛЖЬЯ ПО СПУТНИКОВЫМ СНИМКАМ

Г)

06.03.02 - Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005536979 7 НОЯ 2013

Йошкар-Ола 2013

005536979

Работа выполнена на кафедре лесоводства ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Курбанов Эльдар Аликрамович (Поволжский государственный технологический университет)

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Нагимов Зуфар Ягфарович, (Уральский государственный лесотехнический университет)

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Бажин Олег Николаевич, (Поволжский государственный технологический университет)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.03 в Поволжском государственном технологическом университете по адресу: 424000, Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Поволжского государственного технологического университета.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными печатью подписями ученому секретарю диссертационного совета Д 212.115.03 Мухортову Д.И. по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3, факс 8 (8362) 41-08-72; e-mail: muhortovdi@volgatech.net

Автореферат разослан «25» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,/ //¡/,, кандидат сельскохозяйственных наук / Мухортов Д.И.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ

Актуальность темы. Проблема зарастания бывших сельскохозяйственных земель лесной растительностью является актуальной для многих стран мира, что обусловлено сменой парадигмы в земле- и лесопользовании, обязательствами государств по соглашениям в области глобального изменения климата, а также мировым продовольственным кризисом. В России зарастание залежей1 лесами было связано со сменой социально-экономического строя в конце XX века, переходом от коммунального хозяйства к фермерскому и значительным оттоком населения из сельской местности в города.

Проведенный анализ научной литературы показал, что существующие оценки по зарастанию залежей древесной растительностью в недостаточной степени учитывают современные методы дистанционного зондирования. В частности, слабо исследованы возможности дистанционного мониторинга таких участков, закономерности распределения древесной растительности на землях залежей и связь молодого древесного покрова со спектральными характеристиками спутниковых снимков. Кроме того, при изучении этой проблемы важно учитывать региональные особенности зарастания залежей лесными породами, представляющими коммерческий интерес, а также оценку точности тематического картирования растительного покрова по спутниковым снимкам.

Актуальность проведенных исследований по совершенствованию методов оценки запасов молодняков на землях залежей подтверждают следующие директивные документы: «Концепция устойчивого управления лесами РФ» (1998), «Лесной кодекс» (2006), «Об утверждении стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» (2008), федеральный закон «О внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ в части совершенствования оборота земель сельскохозяйственного назначения» (2011). Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № 02.740.11.5202 Министерства образования и науки Российской Федерации «Региональная оценка методов картирования растительного покрова по спутниковым снимкам», ГК № 02.740.11.0838 «Разработка и реализация алгоритмов передачи, обработки и анализа данных дистанционного зондирования лесных покровов для автоматических расчетов фитомассы растительности и пулов углерода», соглашения № 14.В37.21.1245 «Дистанционный

Залежь - сельскохозяйственные угодья, ранее использовавшиеся как пашня, но не используемые больше года, начиная с осени под посев сельскохозяйственных культур и под пар.

мониторинг и прогнозирование состояния лесных насаждений по спутниковым снимкам» и тематического плана Министерства науки и образования РФ на 2012-2014 гг. «Оценка, мониторинг и прогнозирование биологической продуктивности лесов по данным спутниковой съемки».

Цель исследования - оценка дистанционным методом формирования и накопления фитомассы молодняков хвойных и лиственных пород, произрастающих на залежах Марийского лесного Заволжья, для выполнения которой были решены следующие задачи-.

• разработать методику оценки молодняков хвойных и лиственных пород дистанционными методами;

• заложить тестовые участки на землях залежей Марийского Заволжья;

• изучить динамику спектральных характеристик древесных пород на залежах по спутниковым снимкам Ьапска^

• выявить зависимость фитомассы молодняков леса на залежах от спектральных характеристик спутниковых снимков высокого разрешения;

• создать тематическую карту и ГИС-проект распределения зарастающих залежей молодняками леса;

• провести оценку точности тематического картирования покрытых лесом залежей по спутниковым снимкам среднего разрешения Ьапска1;

• подготовить предложения по использованию результатов исследований на производстве.

Объектом и предметом исследования явились молодняки хвойных и лиственных пород, произрастающие в различных условиях на залежах Марийского Заволжья.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертации положены личные результаты исследования автора, проведенные на базе Центра устойчивого управления и дистанционного мониторинга лесов (ЦУДМЛ) ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет». В ходе исследования были подробно описаны и исследованы 205 тестовых участков на залежах в различных районах Марийского лесного Заволжья. Тестовые участки были заложены лично соискателем совместно с сотрудниками ЦУДМЛ, а также аспирантами и магистрантами факультета лесного хозяйства и экологии ПГТУ. В диссертационной работе использованы разновременные мультиспектральные спутниковые снимки Ьапс15а1 за 1985-2011 гг., а также спутниковые снимки высокого разрешения 11ар1с1Еуе и А1об за 2011 г.

Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, составлении программы и методики исследований, сборе и обработке экс-

периментального материала, его анализе и обобщении, оценке точности тематического картирования, классификации типов покрова, подготовке выводов и рекомендаций производству.

Научная новизна работы. Впервые для Республики Марий Эл разработана и апробирована методика оценки и дистанционного мониторинга зарастания залежей молодняками хвойных и лиственных пород. Применены современные алгоритмы разделимости спектральных классов на спутниковом снимке для выделения молодняков хвойных и лиственных пород на залежах. Выявлена закономерность динамики спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород на залежах. Получены достоверные сведения о площадях молодняков на залежах Марийского лесного Заволжья.

Основные методы исследований: метод тестовых участков, методы геоинформационной и математической статистики, алгоритм линейной спектральной трансформации минимизации шумовых помех (Minimum noise fraction transform, MNF-трансформация) и анализ главных компонент.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) методика оценки формирования молодняков по спутниковым данным;

2) динамика спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород, произрастающих на залежах, на основе спутниковых данных Landsat;

3) тематическая карта распределения молодняков древесных пород на залежах Марийского лесного Заволжья в среде ГИС.

Практическая значимость полученных результатов. Созданные тематические карты и ГИС-проект молодняков хвойных и лиственных пород на залежах Марийского лесного Заволжья могут быть использованы в качестве базиса для дальнейшего дистанционного мониторинга при изучении этих земель. Полученные данные представляют практический интерес для лесничеств, Министерства лесного хозяйства и Госкомимущества Республики Марий Эл при оценке и инвентаризации земель залежей.

Теоретически практические результаты диссертационной работы внедрены в производство и учебный процесс Поволжского государственного технологического университета.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации представлены и обсуждены на российских и международных конференциях:

• NASA и GOFC-GOLD/NEESPI «Влияние аномальной погоды на природные, социально-экономические и искусственные системы: засуха 2010 г. в Поволжье России» (Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, 2012 г.);

• V Международная конференция «Космическая съёмка - на пике высоких технологий» (Москва, Совзонд, 2011 г.);

• Научному прогрессу - творчество молодых: международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, 2010-2012 гг.);

• Joint NASA LCLUC Science Team Meeting and GOFC-GOLD/NERIN, NEESPI Workshop «Monitoring land cover and land use in boreal and temperate Europe" (Тарту, Эстония, 2010 г.);

• «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии»: международная конференция с элементами научной школы для молодежи (Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, 2010 г.);

• «Международное сотрудничество в лесном секторе: баланс образования, науки и производства» (Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, 2009 г.).

Достоверность и обоснованность выводов научных положений диссертации базируется на обширном экспериментальном материале тестовых участков, репрезентативно представляющих объект исследования, на использовании современных геоинформационных и статистических методов обработки спутниковых данных, комплексном подходе к решению поставленных научных задач.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 167 страницах, включает 45 рисунков, 14 таблиц, 152 наименования использованных источников, в том числе 73 - зарубежных.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

На протяжении длительного времени человечество прилагало большие усилия, чтобы поддерживать границу между сельскохозяйственными угодьями и лесом. Даже кратковременная приостановка работ по культивированию почв приводила к тому, что такие земли начинали зарастать древесно-кустарниковой растительностью. По данным международной организации ФАО в конце XX века во всём мире в целом наблюдалось снижение роста площадей сельхозугодий (ФАО, 2005).

Это связано не только с исчерпанием резервных земель, пригодных для обработки, но также и с тем, что во многих странах подобные территории начали выводиться из землепользования. В России, по данным ряда авторов (Гульбе, 2009), в настоящее время древесно-кустарниковой растительностью зарастает более 10 млн га. При этом почти половина земель, входящих в земли сельскохозяйственного назначения, пустует, что способствует их скорейшему зарастанию.

Проблема изучения биологической продуктивности лесных насаждений находится в центре внимания множества исследовательских групп в России (Морозов, 2008; Уткин и др., 2002; Shvidenko et al, 2008; Коновалов, 2002; Колтунова, 2004; Габдрахимов, 2002, 2000; Денисов, 2005, 2009; Калинин, 2005). Многие ученые оценивали состояние и продуктивность лесных насаждений по биофизическим параметрам (Романов, 1983, 1999; Алексеев, 1998, 2010; Винокурова, 2008; Бажин, 2006). Отдельные научные группы (Демаков, 1999; Усольцев, 1993; Усольцев, Сальников, 1998; Мельникова, 1993; Габделхаков, 2009; Нагимов, 2000, 1994; Teobaldelli et al., 2009; Zianis et al., 2005; Johansson, 2007) разрабатывают универсальные соотношения между дендрометрическими и биопродукционными показателями деревьев, что является новым подходом к учёту фитомассы.

Большой вклад в изучение молодняков древесных пород на землях залежей и фитомассы лесных насаждений внесла группа ученых ЦУДМЛ ФГБОУ ВПО «ПГТУ» под руководством проф. Э.А. Курбанова (Курбанов и др., 2010; Курбанов и др., 2008; Курбанов и др., 2009; Леж-нин и др., 2012; Лежнин и др., 2010). Учеными из Йошкар-Олы были изучены методы оценки пространственной динамики и запасов фитомассы молодняков древесных пород на землях залежей по данным дистанционного зондирования, проведена оценка бюджета запасов углерода и древесного детрита в сосновых насаждениях Поволжья России (Курбанов, 1994, 2002).

Анализ источников показал, что проблема зарастающих сельскохозяйственных угодий актуальна не только для России. Процессы зарастания заброшенных сельскохозяйственных земель, пастбищ или фермерских участков лесной растительностью в результате смены землепользования наблюдаются во многих странах мира. Например, большое внимание зарастающим полям уделено в странах Прибалтики (Peterson, Aunap, 1998; Uri et al., 2007, Miks et al., 2007).

В связи с развитием технологий и необходимостью снижения затрат на подобные исследования в последние годы большую популярность приобрели исследования с использованием спутниковых данных. Серия

нескольких снимков разных лет позволяет выявить динамику изменений в наземном покрове, в том числе зарастания заброшенных сельскохозяйственных земель. Разновременные снимки со спутника Landsat использовались для оценки смены землепользования в Эстонии (Peterson, Aunap, 1998). С.А. Барталев и др. (2004) для классификации и оценки площадей сельскохозяйственных земель изучали методику оценки данных дистанционных наблюдений при помощи прибора MODIS со спутника «Terra», которая предусматривает построение композитных изображений с улучшенными для мониторинга растительности свойствами. Английские ученые (Lucas и др., 2007) использовали разновременные снимки для картографирования наземного покрова, а ученые из Бразилии (Pinto, Fernandes, 2011) проводили оценку лесных экосистем на основе мультивременного анализа данных наземного покрова по индексу NDVI . В Австралии по разновременным снимкам Landsat ЕТМ + (1989-2004 гг.) было определено зарастание сельскохозяйственных угодий сорной растительностью на равнинных лугах (Lawes et al., 2008). Анализ спутниковых снимков позволяет выявлять пространственно-временные изменения на больших площадях, а также проводить их оценку и валидацию.

Анализ литературы показал, что в научном сообществе существует большой интерес к применению современных средств ДЗЗ при изучении лесных и нелесных земель. Взаимосвязи между таксационными показателями лесного насаждения и его спектральными характеристиками варьируют в зависимости от вегетационного сезона и расположения исследуемых площадей. При этом применяются различные подходы к решению данной проблемы: аллометрические уравнения, вегетационные индексы, пространственный анализ, данные постоянных пробных площадей. В наших исследованиях использован новый подход к оценке молодняков путем комбинирования обработки спутниковых снимков в современных программных пакетах с наземными исследованиями.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Географическое положение. Марийское лесное Заволжье входит в состав Среднего Поволжья. На территории преобладает умеренно-континентальный климат с теплым летом и умеренно холодной зимой, которая характеризуется длительным периодом отрицательных температур и хорошим снежным покровом. Главные климатообразующие факторы (солнечная радиация, подстилающая поверхность) характеризуются ярко выраженными сезонными изменениями. По лесотаксационной классификации Марийское лесное Заволжье входит в зоны южной тайги,

хвойно-широколиственных лесов, а также лесостепную и степную зоны. При этом для территории характерно разнообразие лесорастительных условий и природных ландшафтов.

Климатические показатели. Исследуемая территория расположена в умеренно-континентальной климатической зоне и характеризуется продолжительной и холодной зимой с хорошим снежным покровом, поздней и довольно прохладной весной, жарким, но коротким летом и продолжительной дождливой осенью. Температура воздуха +30°С и выше отмечается в среднем в течение 10 дней в году. Осенью погода в Марийском лесном Заволжье холодная и влажная с преобладанием сильных пронизывающих ветров и дождей. Возможны ранние заморозки и снег. В зимний период осадки наблюдаются преимущественно в виде снега. Средняя дата установления снежного покрова приходится на середину ноября. Нарастание снежного покрова происходит в течение всей зимы. Территория республики относится к зоне неустойчивого увлажнения. Наряду с достаточным (иногда избыточным) увлажнением отмечаются засушливые годы и сезоны. Атмосферные осадки выпадают в течение года неравномерно. За год в среднем выпадает 532 мм осадков, в теплый период - 371 мм.

Почвенные условия. Почвы Марий Эл делятся на три основных типа: коричнево-бурые лесные, дерново-подзолистые и бурые лесные. Коричнево-бурые лесные почвы характеризуются отсутствием признаков опод-золенности, что связано с богатством минералогического состава и кар-бонатностью почвообразующих пород. Для них характерны низкая плотность сложения и высокая порозность. Почвы относятся к высокогу-мусным, содержание гумуса с глубиной снижается постепенно. Обладают высокими лесорастительными свойствами, способствующими росту высокопродуктивных древостоев основных лесообразующих пород.

Структура земельных ресурсов и сельскохозяйственные территории. Агропромышленный комплекс является одним из основных секторов экономики Республики Марий Эл, и его состояние и уровень развития во многом предопределяют социально-экономическую ситуацию в регионе. В сельской местности проживает 37% населения РМЭ. Общая площадь сельхозугодий составляет 768,7 тыс. га, или 32,89% территории республики.

В структуре земельных ресурсов РМЭ 54,63% территории занимают земли лесного фонда, земли сельскохозяйственного назначения -32,89%. При этом на долю населенных пунктов и прочих категорий земель приходится 9,59 % территории. Сельскохозяйственные угодья в Республике Марий Эл занимают 768,7 тыс. га, в том числе пашнями занято 463,6 тыс. га (60,31 %), залежами - 134,6 тыс. га (17,51 %), многолетними насаждениями - 8,1 тыс. га (1,05 %), кормовыми угодьями -

168,6 тыс. га (21,93%). Из общего числа сельскохозяйственных угодий в собственности граждан находится 327, 4 тыс. га сельскохозяйственных земель, преимущественно в общей долевой собственности. Большая часть площадей сельскохозяйственных угодий находится в северовосточных образованиях республики - Мари-Турекском, Сернурском и Новоторъяльском муниципальных районах.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ФОРМИРОВАНИЯ МОЛОДНЯКОВ ЛЕСА ПО СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ

Для проведения исследования была разработана методика картирования и дешифрирования молодняков леса по породному составу на землях залежей Марийского лесного Заволжья по спутниковым снимкам среднего пространственного разрешения Ьапс15а1. Методика состоит из следующих шагов:

1. Закладка тестовых участков на залежах, зарастающих молодняка-ми древесных пород. В полевых условиях определяются площадь зарастания и координаты участка, а также лесоводственно-таксационные показатели молодняков: порода, возраст, средние высота и диаметр дерева, густота, распространение от стены леса. Все данные вносятся в учетные ведомости для дальнейшей обработки и анализа.

2. Подготовка спутниковых снимков за период с 1985 по 2011 год для дальнейшего процесса классификации. Спутниковые снимки проходят процедуру коррекции для устранения геометрических искажений и линейного выравнивания спектральных характеристик.

3. Выявление и привязка тестовых участков на спутниковых снимках. Определение набора спектральных характеристик изучаемых участков растительности.

4. Оценка динамики роста молодняков древесных пород на землях залежей Марийского лесного Заволжья по спутниковым снимкам.

5. Построение модели зависимости фитомассы от спектральных характеристик снимков.

6. Тематическое картирование молодняков древесных пород на землях залежей по спутниковым снимкам среднего разрешения ЬапсЬа! применением алгоритма анализа главных компонент (РСА) для разделения их на хвойные и лиственные насаждения в программном комплексе ЕЫУ1-5.0.

7. Определение площадей молодняков хвойных и лиственных пород на залежах Марийского лесного Заволжья.

8. Оценка точности полученной тематической карты по критериям геостатистики на основе данных полевых тестовых участков и существующих лесоустроительных материалов.

В работе были использованы выравненные и скорректированные спутниковые снимки Ьапёва! ТМ и ЕТМ+, которые в дальнейшем были объединены в единую тематическую карту Республики Марий Эл на основе бесшовной мозаики, на которой были отмечены все тестовые участки, заложенные на исследуемых землях залежей, с помощью ОРБ-координат (рис. 1). Для работы по изучению динамики изменений в мо-лодняках древесных пород, произрастающих на землях залежей, были выбраны 5-й спектральный канал спутникового снимка Ьапс^а! и индекс

Рисунок 1 - Бесшовная мозаика спутниковых снимков Landsat на карте Марийского лесного Заволжья с тестовыми участками

Создан векторный геоинформационный слой, состоящий из полигонов, на которых расположены тестовые участки. С использованием полученного векторного слоя в качестве маски были извлечены спектральные характеристики растительного покрова в 5-м канале и значение индекса вегетации NDVI. По полученным со спутниковых снимков данным определялась динамика роста молодняков древесных пород на землях залежей, а также строились модели зависимости фитомассы от спектральных характеристик снимков.

Для совершенствования методики дешифрирования молодняков применялся метод анализа главных компонент (Principal Components Analysis, РСА), представляющий собой анализ многоспектральных коррелированных данных изучаемых объектов. РСА использовался для анализа спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород на землях залежей, которые обычно имеют близкие значения. В работе применен метод трансформации доли минимальных «шумов»

(Minimum noise fraction transform, MNF-трансформация), который позволяет преобразовывать спектральные характеристики изучаемых классов и с большей точностью выделять хвойные и лиственные молодняки на землях залежей при классификации снимков. Во время проведения MNF-трансформации главные компоненты классов с «шумом» в разных спектральных каналах разделяются на два кластера (рис. 2). Это позволяет не только выделить и визуально идентифицировать участки классов с «шумом», к которым относятся интересующие нас участки с естественным возобновлением молодняков древесных пород, но также разделить их на хвойные и лиственные насаждения (рис. 3).

Рисунок 2 - Пространство спектральных признаков модуля РСА: а) до MNF-преобразования; б) спектральные признаки объекта после MNF (Agassi et al., 1992)

Рисунок 3 - Снимок ЬашЬаС в синтезе 5-4-1 после проведения М№-трансформации. Цветными овалами выделены участки с древесной растительностью: желтым — зарастание березой; синим - зарастание сосной; красным - кустарниковая растительность вдоль оврага

Применение неуправляемой классификации для выявления участков зарастания земель залежей молодняками хвойных и лиственных пород позволяет с высокой точностью выделить данные участки, снижая погрешность разделения территории исследования на классы тематической карты. В первом приближении все снимки классифицировались на 25 классов с распределением их в три категории: хвойные молодняки, лиственные молодняки и собственно сельскохозяйственные угодья. Если класс нельзя было отнести к одной из изучаемых категорий, он проходил переклассификацию на 14 классов. Подобный подход позволил с высокой точностью отнести все объекты к трем категориям.

После разработки тематической карты зарастания земель залежей строится матрица различий между контрольными тестовыми участками и классами тематической карты с определением коэффициента Каппа и других показателей, позволяющих оценить точность полученной тематической карты и её согласованность с натурными данными.

ГЛАВА 4. ФИТОМАССА МОЛОДНЯКОВ НА ЗАЛЕЖАХ И ДИНАМИКА ИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

По данным NDVI и 5-го спектрального канала ЬапсЬа1 были построены графики средних значений спектральных характеристик молодня-ков лиственных (рис. 4) и хвойных (рис. 5) пород за 25-летний период.

Рисунок 4 - [ рафик распределения спектральных характеристик тестовых участков лиственных пород в 5-м канале и на изображении N0%'!

Из рис. 4 видно, что с 1985 по 1999 год спектральные характеристики тестовых участков на залежах, зарастающих молодняком березы, в 5-м канале были довольно высокими. Это свидетельствует о том, что в те годы на исследуемых залежах не было древесной растительности, потому что они находились в сельскохозяйственном пользовании. В период с 1999 по 2001 год произошло снижение значений спектральных характеристик, что позволяет сделать вывод об изменении наземного покрова в сторону увеличения фитомассы и появлении молодняков дре-

весных пород. Дальнейшая динамика спектральных показателей подтверждает накопление фитомассы на исследуемых участках. Аналогичную динамику появления лиственных пород на залежах показывают и значения индекса ИРУ! за тот же период. В отличие от 5-го канала значения индекса ЫОУ1 прямо пропорциональны накоплению фитомассы на участках. Иначе говоря, чем выше значение этого индекса, тем больше запас фитомассы растительности на исследуемом участке.

№ 1м т йи :«и

«а

Рисунок 5 - График распределения спектральных характеристик тестовых участков хвойных пород в 5-м канале и на изображении NDV1

График распределения спектральных характеристик хвойных пород на землях залежей (рис. 5) показывает аналогичную картину. В период с 2001 по 2005 год происходит снижение спектральной яркости тестовых участков на спутниковом изображении в 5-м спектральном канале, что свидетельствует об увеличении запаса фитомассы. Значение индекса ЫОУ! также начинает резко повышаться в данный временной промежуток.

Зависимости спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород в 5-м канале и на изображении ЫЭУ1 от возраста хорошо выражаются полиномами второго и третьего порядка. Данные по моделям представлены в табл. 1 (СИ5 - спектральное значение в 5-м канале радиометра ЬапсЬа!; ЫОУ1 - значение вегетационного индекса NDVI; А - возраст молодняков).

Таблица 1 - Модели зависимости спектральных молодняков древесных пород

Математическая модель Коэффициент корреляции Стандартное отклонение

Лиственные молодняки

С/г5 = 22,47 - 6,3А + 0,9Л2 0,69 13,02

NDV1 = 16,54 + 8Д5Л - 1,21 А2 - 0,9А3 0,74 11,17

Хвойные молодняки

Ск5 = 16,24 - 4,7А - 0,83Аг 0,71 23,12

ЛМЖ/ = 21,61 - 4,5А + 1ДЗЛ2 0,67 4,27

Полевые данные и дешифрирование спутниковых снимков Landsat показали, что на землях залежей возобновление лиственных пород наиболее интенсивно начинает проявляться в 1999, а хвойных пород - в 2001 году. Было установлено, что древесные породы, захватывающие территории бывших сельскохозяйственных угодий (земли залежей), начинают оказывать влияние на спектральные характеристики спутникового снимка не с первого года их роста. По нашим наблюдениям, влияние молодняков на спектральные характеристики снимков Landsat начинается для лиственных пород с 3-летнего периода, когда высота молодняков доходит до 1,5-2 метров. Для хвойных пород этот возраст составляет 3-4 года, что объясняется их более медленным ростом. Исходя из этого можно сделать вывод, что начало активного зарастания молодняками лиственных пород на землях залежей Марийского лесного Заволжья приходится на 1996-1997 годы, а хвойных пород - 1997-1998 годы.

Проведено моделирование зависимости фитомассы молодняков на залежах от спектральных показателей спутниковых снимков высокого разрешения Alos в 4-м (инфракрасном) спектральном канале. Спектральные характеристики для моделирования были сняты со спутниковых снимков Alos с помощью заложенных нами тестовых участков. Данные по фитомассе были собраны для каждого 10-метрового сектора трансекты, что соответствует размеру пикселя спутника Alos. Модель зависимости фитомассы хвойных молодняков от спектральных показателей представлена экспоненциальной функцией:

Phyto = 0,7939 * e(°'0678*DN), (1)

где Phyto - фитомасса молодняка; DN - спектральный показатель снимка Alos. R2=0,73, стандартная ошибка равна 76,46.

Модель зависимости фитомассы лиственных молодняков от спектральных показателей представлена экспоненциальной функцией:

Phyto = 14,9549 * e(ao325*DN), (2)

где Phyto - фитомасса молодняка; DN - спектральный показатель снимка Alos. R2=0,68, стандартная ошибка равна 66,16.

Однако следует отметить, что данные модели применимы для хвойных и лиственных молодняков в возрасте 8-15 лет, произрастающих на залежных землях Марийского лесного Заволжья.

Тематическое картирование залежей Марийского лесного Заволжья. Для тематического картирования участков древесной растительности на залежах и разделения их по породному составу использовались синтезированные снимки Landsat в сочетании каналов 5-4-1. Результатом классификации стала тематическая карта наземного

покрова на территории сельскохозяйственных угодий Марийского Заволжья, состоящая из 2 групп: собственно сельскохозяйственные угодья, включающие обрабатываемые и необрабатываемые поля, и участки залежей, зарастающие древесной растительностью (рис. 6).

< V I 1

™ > я

г - . у, * ^ V*".. -

Сельскохозяйственные земли

Мл! о юдня км хвойных пород Молодняке лиственных пород

Рисунок 6 - Тематическая карта сельскохозяйственных земель РМЭ с выделенными участками молодых хвойных и лиственных пород

Таким образом, была сформирована тематическая карта сельскохозяйственных территорий Республики Марий Эл с участками земель залежей, зарастающих хвойными и лиственными породами. Полученная тематическая карта залежей Марийского лесного Заволжья позволила провести оценку их зарастания древесной растительностью. Она была также включена отдельным векторным слоем в ГИС-проект по картированию наземного покрова Республики Марий Эл. С помощью этих векторных слоев можно получать информацию об интересующих объектах залежей и оперативно проводить мониторинг земель зарастания. Сочетание в ГИС-проекте снимков среднего и высокого разрешения с полученными векторными слоями молодняков на залежных землях является основой для дальнейшего дистанционного мониторинга земель залежей. Анализ полученной карты показал, что общая площадь земель сельскохозяйственного назначения Республики Марий Эл составила 766805 га, что хорошо согласовывается с официальной статистикой - 773100 га (Доклад о состоянии и использовании земель Республики Марий Эл,

2012). При этом площадь зарастания молодняками лиственных пород составила 195848 га, что составляет 25,54% от общей площади сельскохозяйственных угодий. Площадь зарастания молодняками хвойных пород достигает 11826 га, что составляет 1,54% от общей площади сельскохозяйственных земель. Эти данные свидетельствуют об устойчивом процессе захвата брошенных сельскохозяйственных земель молодняками древесной растительности. Преобладающими породами, захватывающими земли залежей, являются лиственные породы, в основном береза и осина.

Оценка точности тематической карты растительного покрова.

Для оценки точности тематической карты были использованы 177 контрольных тестовых участков, распределенных по изучаемым классам. На каждый класс приходилось не менее 30 тестовых участков. В таблице 2 представлено распределение тестовых участков по классам сельскохозяйственных угодий, а также молодняков лиственных и хвойных пород.

Таблица 2 - Матрица различий тестовых участков с данными тематических карт

С/х угодья Лиственные молодняки Хвойные молодняки Итого

С/х угодья 89 7 5 101

Лиственные молодняки 9 42 0 51

Хвойные молодняки 0 0 25 25

Итого 110 37 30 177

Очевидно (см. табл. 2), что из 101 в класс сельскохозяйственных угодий попали 89 тестовых участков (точность тематического картирования составляет 88%); из 51 участка в класс молодняков лиственных пород попали 42, что составляет 82%; из 25 в класс молодняков хвойных пород попали все 25 участков, что составляет 100%. Общая точность полученной тематической карты составила 82,36%. Коэффициент Каппа достигает 0,81, что говорит о высокой согласованности тематической карты с эмпирическими данными.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Диссертационная работа содержит результаты исследований и научных разработок автора, направленных на восполнение пробелов в решении задач мониторинга и оценки формирования молодняков древесных

пород на землях залежей Марийского лесного Заволжья по спутниковым данным.

Использование методики разделимости классов растительного покрова на спутниковых снимках Ьапс^ с применением М№-трансформации (минимальных шумов) обосновано высокой точностью тематического картирования и пороговыми значениями спектральных классов.

Закономерность временной динамики спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород, произрастающих на залежах, позволила установить начало зарастания древесных пород на этих землях. Наиболее корректно зависимость спектральных характеристик молодняков леса хвойных и лиственных пород на спутниковом снимке Ьапс1за1 от его среднего возраста описывают полиноминальные модели второго и третьего порядка.

Было установлено, что древесные породы, захватывающие территории бывших сельскохозяйственных угодий (земли залежей), начинают оказывать влияние на спектральные характеристики спутникового снимка не с первого года их роста. Влияние молодняков на спектральные характеристики снимков ЬапсЬа! начинается для лиственных пород с 3-летнего периода, а для хвойных пород этот возраст составляет 3-4 года.

Экспоненциальные зависимости фитомассы хвойных и лиственных молодняков, произрастающих на залежах, от спектральных характеристик спутниковых снимков высокого разрешения Яар{с1Еуе показали высокую точность, что позволит в будущем определять и проводить мониторинг фитомассы на изучаемой территории методами дистанционного зондирования.

Тематическое картирование молодняков леса на залежных землях Марийского лесного Заволжья выявило площади зарастания на 2011 год. Общая площадь сельскохозяйственных угодий по полученной тематической карте достигает 766805 га, при этом зарастание молодняка-ми лиственных пород доходит до 195848 га, что составляет 25,54% от общей площади, а зарастание молодняками хвойных пород достигает 11826,54 га, что составляет 1,54% от общей площади сельскохозяйственных земель.

Валидация полученной тематической карты зарастающих земель залежей показала её высокую точность, которая составила 82%, и соответствие натурным данным. Принадлежность исследуемых участков землям фонда запаса и перераспределения подтверждается также ка-

дастровыми данными Министерства государственного имущества Республики Марий Эл.

Созданная по результатам исследования тематическая карта молод-няков хвойных и лиственных пород на залежных землях включена отдельным слоем в ГИС-проект тематических карт наземного покрова Республики Марий Эл.

На основе результатов исследования были сделаны следующие рекомендации для производства:

1. Созданная тематическая карта молодняков хвойных и лиственных пород на 2011 г. на землях залежей Марийского лесного Заволжья может быть использована как основа для их дальнейшего изучения и мониторинга. При этом её использование позволит оперативно получать информацию о динамике зарастания березой и сосной как по отдельным районам, так и по республике в целом. Атрибутивная информация даст возможность производить комплексный анализ данных в сочетании с экономическими, экологическими или социальными факторами, что может быть полезно для прогнозирования ситуации в сельском хозяйстве Республики Марий Эл.

2. Использование данных о площадях зарастания земель залежей упрощает перевод подобных участков в земли лесного фонда. Практическая ценность результатов диссертационной работы подтверждается актами о внедрении созданных тематических карт в лесничествах Республики Марий Эл.

3. Тематическая карта распределения молодняков леса на землях залежей рекомендуется для интеграции с существующими базами данных по наземному покрову Республики Марий Эл, а также для актуализации сведений о современном состоянии растительного покрова.

4. Использование векторных слоёв хвойных и лиственных молодняков на залежных землях в ГИС-проекте позволит добавить в базу данных ГИС атрибутивную информацию по изученным участкам, которая включает в себя породный состав, территориальное расположение участка, средние возраст, диаметр и высоту насаждений. Подобная атрибутивная информация может быть использована не только для дальнейшего мониторинга зарастания залежных земель, но и для получения моделей распределения зарастания от стены леса с помощью модуля геостатистики, изучения смены напочвенного покрова агроценозов либо для актуализации данных о залежных землях для Министерства сельского хозяйства или Министерства государственного имущества.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Центральные издания, входящие в перечень ВАК

1. Carbon sequestration after pine afforestation on marginal lands in the Povol-gie region of Russia: A case study of the potential for a Joint Implementation activity / E. Kurbanov, O. Vorobyov, A. Gubaev, L. Moshkina, S. Lezhnin // Scandinavian Journal of Forest Research. - 2007. - № 22. - P. 488 - 499.

2. К вопросу об углерододепонирующих насаждениях / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, Л.С. Мошкина, A.B. Губаев, С.А. Лежи и н, С.А. Незамаев // Вестник МарГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. - №3. - С. 5-17.

3. Пространственная динамика фитомассы березняков на бывших сельскохозяйственных землях Марийского Заволжья / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, Л.С. Устюгова, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, С.А. Незамаев // Лесной журнал. -Архангельск: Архангельский государственный технический университет, 2010. - №3.-С. 8-14.

4. Оценка зарастания земель запаса Республики Марий Эл лесной растительностью по спутниковым снимкам / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, С.А. Незамаев, Т.А. Александрова // Вестник МарГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -№2(9).-С. 14-20

5. Оценка типов надземного покрова для распознавания объектов ландшафта на космических снимков / А.Н. Леухин, Э.А. Курбанов, Н.В. Парсаев, О.Н. Воробьев, A.B. Губаев, A.C. Шувалов, Х.Э. Рахманов, С.А. Лежнин, A.B. Харитонов, E.H. Потехин, С.А. Незамаев, Ю.А. Полевщикова // Вестник МарГТУ. Серия «Радиотехнические и инфокоммуникационные системы». - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010.-№3(10).-С. 40-49.

6. Дистанционный мониторинг динамики нарушений лесного покрова, лесовозобновления и лесовосстановления в Марийском Заволжье / Э.А. Курбанов, Т.В. Нуреева, О.Н. Воробьев, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, Т.Ф. Мифтахов, С.А. Незамаев, Ю.А. Полевщикова // Вестник МарГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - № 3. - 2011. - С. 17-24.

7. Дистанционный мониторинг лесных гарей в Марийском Заволжье / О.Н. Воробьев, Э.А. Курбанов, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование». - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012.-№ 1.-С. 12-22.

8. Оценка лесных гарей Чувашии методами дистанционного зондирования / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Вестник ИрГСХА. - Иркутск, 2013. - № 54. - С. 80-97.

Другие издания

9. Использование спутниковых снимков высокого и среднего разрешения для изучения естественного возобновления сосны на землях запаса / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, С.А. Незамаев // Междуна-

родное сотрудничество в лесном секторе: баланс образования, науки и производства: материалы международной конференции. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 249-253.

10. Оценка фитомассы березняков на бывших сельскохозяйственных землях Марийского Заволжья: пространственное распределение и динамика накопления / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьёв, Л.С. Мошкина, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, С.А. Незамаев // Международное сотрудничество в лесном секторе: баланс образования, науки и производства: материалы международной конференции. -Йошкар-Ола: МарГТУ 2009. - С. 93-97.

11. Оценка фитомассы молодняков березы Заволжской песчаной низменности по спутниковым снимкам / С.А. Лежнин, С.А. Незамаев, Е.В. Новокшонова, И.В. Комарова // Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии: материалы международной конференции с элементами научной школы для молодежи. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. - С. 168-173.

12. Оценка фитомассы молодняков сосны Вятско-Марийского вала по спутниковым снимкам / Э.А. Курбанов, С.А. Лежнин, Т.А. Александрова, P.P. Вали-уллина // Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии: материалы международной конференции с элементами научной школы для молодежи. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -С. 143-147.

13. Губаев, A.B. Оценка фрагментации растительного покрова по спутниковым снимкам 1 A.B. Губаев, С.А. Лежнин, А.И. Сабирьянова // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 16-17 апреля 2010г.): в 3 ч. Ч. 3. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010. -С. 25 - 27.

14. Использование космических снимков ALOS для выявления площадей бывших сельскохозяйственных угодий, зарастающих лесом / Э.А. Курбанов, О.Н. Воробьев, A.B. Губаев, С.А. Лежнин // Геоматика. - 2010. - №4. - С. 68-72.

15. Лежнин, С.А. Зарубежный опыт оценки естественного возобновления лесных насаждений по спутниковым снимкам / С.А. Лежнин, A.B. Губаев, С.А. Незамаев // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 15-16 апреля 2011 г.): в 3 ч. Ч. 3. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 25-26.

16. Новокшонова, Е.В. Дистанционное зондирование в оценке сукцессии на землях запаса Марийского Заволжья / Е.В. Новокшонова, С.А. Лежнин, С.А. Незамаев, Г.Н. Вохминцева // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 15-16 апреля 2011 г.): в 3 ч. Ч. 3. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 5-6.

17. Александрова, Т.Л. Потенциал зарастающих земель Марийского Заволжья для развития биоэнергетики / Т.Л. Александрова, С.А. Лежнин, P.P. Вали-уллина // Научному прогрессу - творчество молодых: сб. материалов Междуна-

родной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола, 15-16 апреля 2011 г.): в 3 ч. Ч. 3. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 5-6.

18. Лежнин, С.А. Зарубежный опыт оценки естественного возобновления лесных насаждений на сельскохозяйственных землях по спутниковым снимкам / С.А. Лежнин // Сборник материалов научного семинара стипендиатов программ «Михаил Ломоносов II» и «Иммануил Кант II» 2010/11 года. - М., 2011. -С. 109-110.

19. Картирование растительного покрова Среднего Поволжья по спутниковым снимкам / Э.А. Курбанов, О.Н. Кранкина, О.Н. Воробьев, A.B. Губаев, С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Земля из Космоса - наиболее эффективные решения, международная конференция: сб. тезисов. - М.: Инженерно-технологический центр СканЭкс, НП «Прозрачный мир», Издательство «Бином», 2011.-416с.

20. Лежнин, С.А. Оценка зарастания сельскохозяйственных земель Республики Марий Эл древесной растительностью с использованием мультивременных снимков Landsat / С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Влияние аномальной погоды на природные, социально-экономические и искусственные системы: засуха 2010 г. в Поволжье России [Электронный ресурс]: материалы международной научной конференции NASA и семинара GOFC-GOLD/NEESPI. - URL: http://csfm.marstu.net/fiIes\publications\ NASA_2012.pdf (дата обращения: 15.102013)

21. Полевщикова, Ю.А. Оценка динамики растительного покрова и миграции населения в Марийском песчаном Заволжье по данным дистанционного зондирования / Ю.А. Полевщикова, С.А. Лежнин // Влияние аномальной погоды на природные, социально-экономические и искусственные системы: засуха 2010 г. в Поволжье России [Электронный ресурс]: материалы международной научной конференции NASA и семинара GOFC-GOLD/NEESPI. - URL: htrp://csfrn.marstu.net/files/publications' NASA_20I2.pdf (дата обращения: 15.102013)

22. Лежнин, С.А. Методика оценки сукцессии на сельскохозяйственных землях по мультивременных снимкам / С.А. Лежнин, Ю.А. Полевщикова // Научному прогрессу - творчество молодых: сборник материалов Международной молодежной научной конференции в области естественных наук и технических дисциплин (Йошкар-Ола, апрель, 2012). - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012. -С. 19-21.

Подписано в печать 23.10.2013. Усл. и.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 5223.

Редакционно-издательский центр ПГТУ 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Лежнин, Сергей Анатольевич, Йошкар-Ола

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451520

Лежнин Сергей Анатольевич

Дистанционный метод оценки формирования молодняков на залежах Марийского лесного Заволжья по спутниковым снимкам

06.03.02 - «Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и лесная таксация»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: д-р. с.-х. наук, проф. Курбанов Э.А.

Йошкар-Ола, 2013

Работа выполнена на кафедре лесоводства Поволжского государственного технологического университета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Курбанов Эльдар Аликрамович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Нагимов Зуфар Ягфарович, ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Бажин Олег Николаевич, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.115.03 в Поволжском государственном технологическом университете по адресу: 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Поволжского государственного технологического университета

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат сельскохозяйственных наук Мухортов Д.И.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5 Глава 1. Теоретические основы использования данных дистанционного зондирования земли для изучения лесных и нелесных земель. Состояние проблемы............................................................................................................11

1.1 Исследование возобновления леса на бывших сельскохозяйственных угодьях и фитомассы древостоев......................11

1.2 Использование спутниковой информации для оценки лесных территорий..................................................................... 15

1.3 Использование вегетационных индексов для оценки насаждений 22 Глава 2. Программа и объекты исследования. Природные и климатические условия района исследований..................................................................29

2.1 Программа исследований................................................... 29

2.2 Объекты исследований...................................................... 29

2.3 Географическое положение................................................ 29

2.4 Климатические показатели................................................. 30

2.5 Почвенные условия.......................................................... 33

2.6 Структура земельных ресурсов и сельскохозяйственные территории..........................................................................................................................................35

Глава 3. Методика оценки зарастания сельскохозяйственных земель молодняками леса по спутниковым данным................................... 40

3.1 Закладка тестовых участков................................................ 40

3.2 Разделение молодняков на хвойные и лиственные породы на спутниковом снимке........................................................... 48

3.3 Тематическое картирование молодняков хвойных и лиственных пород по спутниковым снимкам.......................................... 56

3.4 Оценка точности тематической карты.................................. 57

Глава 4. Фитомасса молодняков на залежах и динамика их спектральных характеристик................................................................... 62

4.1 Полевые исследования...................................................... 62

4.2 Подготовка спутниковых снимков................................................................................66

4.3 Спектральные характеристики молодняков на тестовых участках 68

4.4 Тематическое картирование молодняков леса на залежах Республики Марий Эл......................................................................................................................76

Заключение и рекомендации 97

Список используемой литературы 100

Приложения 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Проблема зарастания бывших сельскохозяйственных земель лесной растительностью является актуальной для многих стран мира, что обусловлено сменой парадигмы в земле- и лесопользовании, обязательствами государств по соглашениям в области глобального изменения климата, а также мировым продовольственным кризисом. В России зарастание залежей1 лесами было связано со сменой социально-экономического строя в конце XX века, переходом от коммунального хозяйства к фермерскому и значительным оттоком населения из сельской местности в города.

Проведенный анализ научной литературы показал, что существующие оценки по особенности зарастания залежей древесной растительностью в недостаточной степени учитывают современные методы дистанционного зондирования. В частности слабо исследованы возможности дистанционного мониторинга таких участков, закономерности распределения древесной растительности на землях залежей и связь молодого древесного покрова со спектральными характеристиками спутниковых снимков. Кроме того, при изучении этой проблемы важно учитывать региональные особенности зарастания залежей лесными породами, представляющими коммерческий и хозяйственный интерес, а также оценку точности получаемой информации о фитомассе (запасах депонированного углерода) при проведении международных проектов совместного осуществления по снижению эмиссий парниковых газов.

Актуальность проведенных исследований по совершенствованию методов оценки запасов молодняков на землях залежей подтверждают следующие директивные документы: «Концепция устойчивого управления лесами РФ» (1998), «Лесной кодекс» (2006), «Об утверждении стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года» (2008), Федеральный закон "О

1 Залежь - сельскохозяйственные угодья, ранее использовавшиеся как пашня, но не используемые больше года, начиная с осени, под посев сельскохозяйственных культур и под пар.

внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ в части совершенствования оборота земель сельскохозяйственного назначения» (2011).

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК № 02.740.11.5202 Министерства образования и науки Российской Федерации «Региональная оценка методов картирования растительного покрова по спутниковым снимкам», ГК № 02.740.11.0838 «Разработка и реализация алгоритмов передачи, обработки и анализа данных дистанционного зондирования лесных покровов для автоматических расчетов фитомассы растительности и пулов углерода», соглашение № 14.В37.21.1245 «Дистанционный мониторинг и прогнозирование состояния лесных насаждений по спутниковым снимкам» и тематического плана министерства науки и образования РФ на 2012-2014 гг. «Оценка, мониторинг и прогнозирование биологической продуктивности лесов по данным спутниковой съемки». Цель и задачи исследований

Целью исследования была оценка дистанционным методом формирования и накопление фитомассы молодняков хвойных и лиственных пород, произрастающих на залежах Марийского лесного Заволжья, для выполнения которой были решены следующие задачи:

• разработать методику оценки молодняков хвойных и лиственных пород дистанционными методами;

• заложить тестовые участки на землях залежей Марийского Заволжья;

• изучить динамику спектральных характеристик древесных пород на залежах по спутниковым снимкам ЬапёБа1;

• выявить зависимость фитомассы молодняков леса на залежах от спектральных характеристик спутниковых снимков высокого разрешения;

• создать тематическую карту и ГИС проект распределения зарастающих залежей молодняками леса;

• провести оценку точности тематического картирования покрытых лесом залежей по спутниковым снимкам среднего разрешения ЬапёБа^

• подготовить предложения по использованию результатов исследований на производстве.

Научная новизна работы

Впервые для Республики Марий Эл разработана и апробирована методика по оценке и дистанционному мониторингу зарастания залежей молодняками хвойных и лиственных пород. Применены современные алгоритмы разделимости спектральных классов на спутниковом снимке для выделения молодняков хвойных и лиственных пород на залежах. Выявлена закономерность динамики спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных пород на залежах. Получены достоверные сведения о площадях молодняков на залежах Марийского лесного Заволжья.

Объекты и предмет исследований

Объектами исследования явились молодняки хвойных и лиственных пород, произрастающие в различных условиях на залежах Марийского лесного Заволжья.

Фактический материал и личный вклад автора

В основу диссертации положены личные результаты исследования автора, проведенные на базе Центра устойчивого управления и дистанционного мониторинга лесов (ЦУДМЛ) ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет». В ходе исследования были заложены, подробно описаны и исследованы 205 тестовых участка на залежах в различных районах Марийского лесного Заволжья. Тестовые участки были заложены лично соискателем совместно с сотрудниками ЦУДМЛ, а также аспирантами и магистрантами факультета лесного хозяйства и экологии ФГБОУ ВПО «ПГТУ». В диссертационной работе были использованы разновременные мультиспектральные спутниковые снимки ЬапёБа1 за 1985-2011 гг., а также спутниковые снимки высокого разрешения Яар1ёЕуе и А1оз за 2011 г.

Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, составлении программы и методики исследований, сборе и обработке экспериментального материала, его анализе и обобщении, оценке точности тематического картирования,

разделимости классов наземного покрова, подготовке выводов и рекомендаций производству.

Основные методы исследований

Метод тестовых участков, методы геоинформационной и математической статистики, алгоритм линейной спектральной трансформации минимизации шумовых помех (Minimum noise fraction transform, MNF-трансформация) и анализ главных компонент.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1) Методика оценки формирования молодняков по спутниковым данным.

2) Динамика спектральных характеристик молодняков хвойных и лиственных

пород, произрастающих на залежах, на основе спутниковых данных Landsat.

3) Тематическая карта распределения молодняков древесных пород на залежах

Марийского лесного Заволжья в среде ГИС.

Практическая значимость полученных результатов

Созданные тематические карты и ГИС проект молодняков хвойных и лиственных пород на залежах Марийского лесного Заволжья могут быть использованы в качестве базиса для дальнейшего дистанционного мониторинга при изучении этих земель. Полученные данные представляют практический интерес для лесничеств, министерств лесного хозяйства и Госкомимущества Республики Марий Эл при оценке и инвентаризации залежей.

Практические и теоретические результаты диссертационной работы внедрены в производство и учебный процесс ФГБОУ ВПО «ПГТУ».

Достоверность и обоснованность выводов научных положений диссертации базируется на обширном экспериментальном материале тестовых участков, репрезентативно представляющих объект исследования, использование современных геоинформационных и статистических методов обработки спутниковых данных, комплексным подходом к решению поставленных научных задач.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 06.03.02 - «Лесоведение, ле-

соводство, лесоустройство и лесная таксация» экспертного совета ВАК Минобр-науки РФ по следующим областям исследований:

• № 18 - «Теоретические и методические вопросы инвентаризации древосто-ев и лесных массивов».

• №20 - «Дистанционные методы изучения лесной растительности, теория и практика наземных и аэрофотометодов, а также другие современные методы съемок».

• № 21 - «Теория и методология лесной дешифровки аэроснимков и других дистанционных средств».

Апробация работы

Основные научные положения диссертации представлены и обсуждены на Российских и международных конференциях:

• NASA и GOFC-GOLD/NEESPI «Влияние аномальной погоды на природные, социально-экономические и искусственные системы: засуха 2010 г. в Поволжье России» (Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет - 2012 г.).

• V Международная конференция «Космическая съёмка - на пике высоких технологий» (Москва: Совзонд - 2011 г.).

• Научному прогрессу - творчество молодых: Международная молодежная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам (Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, в 2010-2012 гг).

• Joint NASA LCLUC Science Team Meeting and GOFC-GOLD/NERIN, NEESPI Workshop «Monitoring land cover and land use in boreal and temperate Europe" (Тарту, Эстония - 2010 г.).

• «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность, мониторинг и адаптационные технологии». Международная конференция с элементами научной школы для молодежи (Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет - 2010 г.).

• «Международное сотрудничество в лесном секторе: баланс образования, науки и производства» (Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет - 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 34 работы, десять из которых входят в список изданий ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературных источников. Она изложена на 167 страницах, включает 45 рисунков, 14 таблиц, 152 наименований использованных источников, в т.ч. 73 зарубежных.

Глава 1. Теоретические основы использования данных дистанционного зондирования земли для изучения лесных и нелесных земель. Состояние вопроса.

1.1. Исследование возобновления леса на бывших сельскохозяйственных угодьях и фитомассы древостоев

На протяжении длительного времени человечество прилагало большие усилия, чтобы поддерживать границу между сельскохозяйственными угодьями и лесом. Даже кратковременная приостановка работ по культивированию почв приводила к тому, что такие земли начинали зарастать древесно-кустарниковой растительностью. Подобные естественные процессы сукцессии растительного покрова наблюдались в различных странах мира. По данным международной организации ФАО в конце XX века во всём мире в целом наблюдалось снижение роста площадей сельхозугодий (РАО, 2005). Это связано не только с исчерпанием резервных земель, пригодных для обработки, но также и с тем, что во многих странах подобные территории начали выводиться из землепользования.

В России, по данным ряда авторов (Войтюк, 2005; Уткин, 2002), в настоящее время древесно-кустарниковой растительностью зарастает более 10 млн. га. При этом почти половина земель, входящих в земли сельскохозяйственного назначения, пустует, что способствует их скорейшему зарастанию. В республике Марий Эл только за период с 2009 по 2012 годы по официальной статистике площадь залежей увеличилась на 20,8 тыс. га (Доклад о состоянии и использовании земель в Республике Марий Эл, 2010, 2011, 2012).

Эти процессы и тенденции непосредственно привели к тому, что заброшенные сельскохозяйственные угодья и земли залежей стали активно захватываться древесными породами (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Зарастание залежей Оршанского р-на РМЭ лиственными породами

(фото автора)

Сокращение площадей обрабатываемых земель произошло за счет уменьшения посевов зерновых и кормовых культур (рис. 1.2).

с

50

0 -1-1-1-I-I-I-I-1-1-1-

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Год

□ Пашни □ Залежи ■ Кормовые угодья ■ Прочие угодья

Рисунок 1.2 - Динамика площадей сельскохозяйственных земель РФ за 1990-2002 гг.

Площади залежей увеличились на 24 млн. га, большая часть которых зарастает древесно-кустарниковой растительностью. Основные площади залежей расположены в Европейской части России (Сонген и др., 2005).

По данным ряда авторов (Денисов, 1999; Кожухов, 2004; Парамонов, Грязь-кин, 2006) на заброшенных пашнях формируются сосновые древостой разной гу-

стоты. Другие исследования (Уткин и др., 2002) показывают, что при начальном этапе в зарастании залежей активно участвуют 10-12 видов древесно-кустарниковых пород, среди которых основными являются береза, сосна, ива, ольха и осина. В Псковской области за последние двадцать лет из эксплуатации выведено более 250 тыс. га сельскохозяйственных земель (Парамонов, 2006). При этом 41% этих земель переведён в фонд запаса и перераспределения, остальные участки зарастают древесно-кустарниковой растительностью. На зарастающих территориях доминируют смешанные молодняки леса в основном мягколиствен-ных пород. В таких насаждениях главной породой является береза, участие в составе которых составляет не менее 40%. Береза в большинстве случаев равномерно распределяется по площади поля и за считанные годы (3-6 лет) образует высо-кополнотное насаждение (Гульбе, 2006).

Процесс лесовосстановления на заброшенных землях (Краснобаева, Муба-ракшина, 2005) респуб