III. ГИС-технологии в мониторинге биоразнообразия лесов

Эффективность осуществления мониторинга лесов в значительной степени определяется наличием развитой информационной базы с характеристиками состояния и динамики лесного фонда, его экологического и ресурсного потенциала, а также знаний основных условий роста и развития лесных экосистем. Использование ГИС-технологий, обеспечивающих сбор, хранение, обработку, анализ и отображение на электронной карте разнородных объектов и явлений, создает необходимые условия для проведения инвентаризационных работ, создания тематических карт и их дальнейшего использования. В этой связи, в ходе реализации Программы была разработана научная база для осуществления основных приемов оценки и мониторинга биоразнообразия лесов России при использовании ГИС. В целях сопоставления данных и стандартизации подходов использовался опыт международных программ по разработке системы индикаторов и критериев оценки биоразнообразия, масштабов и уровней оценки, уделялось внимание вопросам гармонизации форматов данных и их обработки

Целью разработки «ГИС мониторинга биоразнообразия лесов» является обеспечение инвентаризационных и мониторинговых процедур с возможностью обобщения, стандартизации и анализа разнородных данных по состоянию и качеству лесов России на базе данных лесоустройства, данных дистанционного зондирования (ДДЗ) и материалов наземных исследований. Это позволит иметь представление о текущем состоянии лесных территорий, прогнозировать их развитие с учетом естественной динамики лесов, интенсивности лесопользования и сохранения биоразнообразия.

При инвентаризации и мониторинге биоразнообразия лесов в реализуемом Проекте основными приняты три масштабных уровня: федеральный, региональный и локальный. Для этих уровней последовательно решались такие задачи:

1. Разработка тематического содержания и базовых алгоритмов информационной системы «ГИС мониторинга биоразнообразия лесов»

• Подбор типовых информационных материалов и формирование картографических и семантических баз данных;
• Разработка процедуры и алгоритмов совмещения разнородных картографических данных и ДДЗ;
• Выбор параметров и оптимальных оценочных процедур для определения экосистемного биоразнообразия лесов.

2. Разработка алгоритмов многоуровневой генерализации параметров биоразнообразия

• Верификация данных дистанционного зондирования;
• Расчет и визуализация основных параметров/индексов биоразнообразия.

Тематическое содержание и базовые алгоритмы системы

Основные источники получения информации для «ГИС мониторинга биоразнообразия лесов» – это материалы лесоустройства, картографические и дистанционные данные, материалы полевых наземных исследований. Для решения поставленных задач были сформированы два основных функциональных блока информационной системы: инвентаризационный и аналитический. Получаемые с их помощью результаты должны быть использованы в региональной практике природопользования при выработке решений на основе анализа разработанных критериев, полученных индексов и оценок состояния биоразнообразия (организационно-управленческий блок). Обычно данный этап комбинируется с разработкой прикладных эколого-экономических моделей, прогнозов и альтернативных сценариев природопользования (рис. 1).

В соответствии с тематическим содержанием ГИС, в первую очередь формировался инвентаризационный блок. В нем собиралась первичная информация, характеризующая объекты и формирующаяся в виде пространственной и атрибутивной баз данных. Пространственная база данных включает, главным образом, географические характеристики поверхности Земли в соответствующем масштабе, предопределяющие биоразнообразие растительного покрова. Помимо характеристик природной среды (климат, рельеф, гидрология, наземный покров и проч.), важны социально-экономические показатели территории (плотность населения, характеристики инфраструктуры и т.д.). В начальном варианте подбирались материалы в виде существующих и обновленных карт, преобразованных в картографические слои разного масштаба (шейп-файлы ArcView), дополняющиеся за исключением ДДЗ достаточно редко (рис. 2).

Рис. 2. Типовое наполнение пространственной базы данных ГИС.

Данные для каждого масштабного уровня были представлены в виде пространственно локализованных растровых или векторных покрытий (слоев) и связанных с ними семантических данных (атрибутивная база), характеризующих объекты слоя. Атрибутивная база представлена как в виде отдельных таблиц (значения легенды, характеристика контуров тематических карт, литературные и фондовые данные), так и в виде баз данных (лесоустроительная, данные наземных исследований в виде формализованных геоботанических описаний). Так как данные поступают из разных источников, по-разному организованы и хранятся, для их последующего анализа были созданы формы приведения данных к ограниченному числу форматов.

Интеграция покрытий для всех масштабных уровней осуществлялась в пакете ArcView. Необходимым условием интеграции разнородных данных является унификация их математической основы (проекции). Для данных в растровом формате перевод в принятую проекцию требовал математической трансформации, осуществляемой в среде ERDAS IMAGINE.

Аналитический блок содержит данные, полученные в результате обработки первичной информации (классификация, типизация, вычисление индексов, экспертная оценка). Итогом географического способа подачи информации такого типа являются карты, характеризующие состояние биоразнообразия лесов на локальном, региональном и федеральном уровнях. Большинство из них являются общедоступными, например, электронные версии карты сохранившихся крупных массивов малонарушенных лесов и карты растительного покрова Северной Евразии. Другую часть составляют доработанные версии бумажных карт, отсканированных и преобразованных в векторный формат. Третья часть – научный продукт, полученный в рамках Проекта.

На основе этой картографической информации рассчитывались производные индексы (параметры), характеризующие биоразнообразие лесов на уровне отдельных административных подразделений (область, край) и/или природных единиц (ландшафтные мезорегионы, зоны и типы поясности растительности и др.), а также для федерального уровня. Оценка биоразнообразия на макрорегиональном (федеральном) уровне позволяет решать стратегические задачи, например: представлять масштаб потерь типологического разнообразия по всей территории страны, определять площади и тенденции сокращения лесных территорий или характер преобразования лесных сообществ на общемировом уровне. Для оценки таких параметров как общая лесистость территории, площадь и доля ненарушенных лесов, доля вторичных лесов, площадь и доля лесов, затронутых биотическими нарушениями, пожарами, техногенными воздействиями, ландшафтные индексы (энтропия, фрагментарность и прочие) в ходе реализации Проекта были разработаны и применены методы, основанные на использовании ДДЗ.

На региональном уровне для оценки биоразнообразия лесов использовали их свойства: композиционные (видовое, типологическое и ландшафтное разнообразие территории) и структурные (площадные характеристики лесных участков и особенности их распределения – индексы фрагментации). Характерно, что для регионального уровня на первый план выходят ДДЗ и информация о рельефе территории (рис. 3), так как обеспеченность тематическим картографическим материалом на данном уровне значительно меньше, а имеющийся картографический фонд редко представлен в электронном виде.

Рис. 3. Некоторые показатели биоразнообразия для регионального уровня, полученные на основе данных дистанционного зондирования, моделей рельефа и наземных исследований.

Итогом географической подачи информации явились две группы карт, представленные в векторном или растровом форматах. Растровые покрытия, в основном данные ДДЗ и производные продукты, для последующего анализа переводились в форму регулярного грида или точечного векторного покрытия. Это позволило проводить совместный анализ растровых и векторных покрытий. Основным элементом анализа являлось рассмотрение разных типов отношений между таблицами семантической информации покрытий на основе их совместной пространственной локализации. Основные этапы работы с существующими и вновь поступающими данными заключались в следующем:

1. Систематизация данных

• введение разных типов данных в соответствующие БД Access через промежуточные таблицы;
• формирование системы запросов данных для типов БД.

2. Анализ данных на основе ГИС

• преобразование пространственных данных в векторный формат, используемый для построения запросов в ГИС с возможной буферизацией объектов;

• совмещение таблиц запросов по БД с пространственными данными;
• формирование системы запросов для сопряженных слоев пространственных данных с получением таблиц, содержащих индексы и пространственно совмещенные характеристики, используемые для качественного и количественного анализа и визуализации.

Такой подход, реализованный средствами ГИС, позволил получить качественно новую информацию и, при этом, с интеграцией по всем принятым масштабам проекта.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: