ГИС – технологии и аэроснимки при изучении растительного покрова

1.3.1 ГИС-технологии в изучении растительного покрова при проведении проектных работ*

Деградация растительного покрова большинства парков Москвы, в результате возрастающей антропогенной трансформации ландшафтов, на данный момент, является весьма актуальной проблемой. Для решения этого вопроса осуществляются попытки создания сети объектов ПЗФ (природно - заповедного фонда), эко сетей и эко каркасов территорий, появляются законодательные ограничения и требования оценки, мониторинга и учета растительного покрова и т.д. Особое внимание уделяется вопросам учета и оценки растительного покрова в проектных работах, например в ДБН А.2.2-1-2003 «Состав и содержание материалов оценки воздействий на окружающую среду при проектировании и строительстве предприятий, зданий и сооружений».

Однако при проведении проектных работ исследователи неизбежно сталкиваются с двумя типами вопросов:

А. Обусловленные спецификой самого объекта исследования – растительного покрова, а именно: уникальность описаний ботанических объектов во времени и пространстве (например, наличие и отсутствие редких видов растений в одинаковых сообществах, состояние их популяций и др.), а так же с учётом географического положения; высокая степень изменчивости признаков объектов на протяжении ареала (в т.ч. явления дискретности и континуальности растительного покрова, вредное антропогенное воздействие и др.); динамика природных процессов (флуктуационная и сукцессионная); различные формы и степени антропогенных воздействий; большой объём фактической информации; сохранение биоразнообразия (исполнения требования соответствующих нормативно-правовых актов).

Б. Обусловленные спецификой проведения проектных работ, а именно: необходимость точного указания на местности контуров и местоположений объектов (которые зачастую не имеют четких границ); возможность сопряженного анализа разнородных пространственно-координированных данных (растительность, наличие объектов ПЗФ и экосетей, рельеф местности, инфраструктура, сельхоз использование т.д.); удобная визуализация данных и нанесение объектов на детальные планы и схемы; возможность использования узкоспециализированных данных специалистами других профилей и т.д.

Решение данного вопроса заключается в использовании ГИС – технологий при изучении растительного покрова.

За период с 2007-2009 гг., по соглашению с ООО «Крым-Ирей» нами была проведена экспертная оценка воздействия проектируемых ветроэлектростанций (ВЭС) на биокомплексы 7 площадок, в 5 административных районах АР Крым (Тарханкутская ВЭС, Донузлавская ВЭС, ВЭС в районе с. Солнечная Долина (г. Судак), Бахчисарайская ВЭС, Тургеневская и Холмогорская ВЭС, ВЭС Белогорского р-на, Ленинская ВЭС) (Рис.1). Общая площадь исследованной территории составляет более 33 000 га. Суммарная мощность проектируемых ВЭС более 1000 МВт.

 

Рис. 1. Места проведения исследований

 

Предпроектные этапы работы заключались в анализе картографических данных территорий, изучении литературных источников для данной территории, дешифрировании космических снимков, выделении однородных природно-территориальных комплексов (ПТК), а так же в прокладке полевых маршрутов, с учетом обязательного посещения всех крупных ПТК.

Отдельное внимание уделялось анализу территории на предмет наличия объектов природно-заповедного фонда Украины, территорий, перспективных для включения в перечень ПЗФ (зарезервированных), объектов, предложенных для включения в экологическую сеть АР Крым, территорий лесного фонда Украины. Анализ осуществлялся путем накладывания на картографический материал существующих в НИЦ «Технологии устойчивого развития» и разработанных коллективом НИЦ информационных слоев по природно-заповедному фонду АР Крым, экосети АР Крым, данных лесоустройства АР Крым, авторских данных. Первичный анализ осуществлялся на картографической основе масштаба 1:100 000 в программном модуле фирмы ESRI ArcGIS 9.0.

Согласно требованиям, предоставленным проектной документацией, при проведении полевых исследований для каждой территории проводились стандартные флористические и геоботанические описания. Составлялись списки обнаруженных видов растений, а для видов, занесенных в природоохранные списки, производилось картирование ареалов их обитания, учитывались количественные и качественные характеристики популяций. Для каждого участка проводилась детальная геоботаническая съемка территории с картированием группировок растительности на планах масштабом 1:50 000 и 1:25 000 (при необходимости на планах масштабом 1:10 000), предоставляемых заказчиками работ. Уточнение координат осуществлялось при помощи GPS-приемника с точностью до 3 м.

Камеральная обработка собранных данных производилась на базе НИЦ «Технологии устойчивого развития» ТНУ им. В. И. Вернадского. При проведении работ широко использовались возможности современных ГИС-технологий (программный модуль ArcGIS 9.0), цветные космические снимки, а также находящиеся в свободном доступе Интернет-ресурсы фирмы GoogleTM.

В результате проведенных работ были получены детальные карты - схемы наличия и размещения на территории исследования и сопредельных территориях объектов природно-заповедного фонда Украины и территорий, зарезервированных для включения в список объектов ПЗФ. Таким образом, стало возможным на ранним этапах выбора площадок избежать территорий, связанных с природно-заповедным фондом, а также оценить возможное влияние антропогенной деятельности, а именно строительства и эксплуатации на природоохранные территории.

Также была получена поквартальная схема размещения лесного фонда на исследуемой территории. Это позволило при проектировании отсечь территории, занятые лесным фондом (или перспективные для посадки леса).

Для данных территорий была проанализирована Схема размещения элементов предложенного проекта региональной экологической сети АР Крым. В результате было установлено наличие или отсутствие территорий, предложенных для включения в региональные экоцентры, восстановительные и буферные территории, экологические коридоры.

Для каждого участка была получена схема детального геоботанического зонирования территории в масштабах 1:25 000 – 1:10 000 с нанесением основных типов растительности, степени их антропогенной трансформации. Как результат, для каждого участка был создан информационный слой «растительный покров территории» с сопряженной базой данных.

Для сохранения сообществ и видов растений, охраняемых природоохранным законодательством, составлена детальная карта выявленных сообществ растений, занесенных в Зеленую книгу Украины 1986 и 2009 гг. и ареалов редких видов растений (точечные объекты с точностью нанесения популяций до 3-5 м).

С учетом состояния территории разработаны рекомендации по ограничению строительства и минимизации ущерба растительному покрову при возведении и эксплуатации агрегатов ВЭС и их инфраструктуры.

Исходя из полученных данных, было осуществлено зонирование территории на предмет рекомендованных ограничений, с выделением земель трех категорий: с запретом на застройку (особо ценные территории), возможностью установки ВЭС при проведении рекультивационных и компенсационных мероприятий, территории с возможной установкой без ограничений.

Рис. 2. Пример информационного слоя «Растительность» для проектируемой Бахчисарайской ВЭС

На основании полученных данных давались рекомендации и обоснования по возможности (или невозможности) строительства ВЭС и их инфраструктуры, по ограничению воздействия на отдельные биокомплексы, по минимизации ущерба флоре и растительности при строительстве и эксплуатации ВЭС для всего участка в целом и его отдельных частей, делались ожидаемые прогнозы воздействия на экосистемы. Уделялось внимание по выработке рекомендаций по рекультивации земель ранее нарушенных на исследованных территориях, проведению дальнейших мониторинговых наблюдений за состоянием экосистем.

Преимущества при проведении подобных работ по указанной методике состоят в: мобильности исследований; точной географической привязке биологических данных с дальнейшей возможностью их использования при проектировании установки агрегатов ВЭС и их инфраструктуры; совместимости с любыми пространственно-координированными данными для совместного анализа и удобстве визуализации данных, создании тематических карт и схем, использовании их при проектировании на местности.

1.3.2 Аэроснимки при изучении растительного покрова.

При создании карт растительности ставится задача отобразить закономерности распространения растительных сообществ на земной поверхности. По содержанию карты принято классифицировать на флористические, передающие распространение отдельных видов, и геоботанические, отображающие пространства, занятые определенными типами растительных сообществ (ассоциаций, формаций и др.).

Объектом геоботанического картографирования может быть как современный растительный покров, так и растительность, существовавшая на территории до ее заселения человеком. В настоящее время выделяют три вида карт: карты восстановленного растительного покрова, которые дают представление о коренной растительности (лесной, степной); карты современного растительного покрова (фактические), с учетом степени сельскохозяйственного освоения территории и динамические карты, отражающие возрастные смены растительных сообществ, вызванные как антропогенными, так и факторами среды, например деятельностью текучих вод, вырубки и т. д.

Отличительной особенностью геоботанических карт является наличие у них легенд, которые раскрывают особенности экологических условий: рельефа, климата, почв. Легенда карт создается на основе единой классификации растительных сообществ. При ее построении учитывается флористический состав, структура фитоценозов и преобладающие жизненные формы (древесная, кустарниковая, подушковидная растительность и др.).

Оформление геоботанических карт многокрасочно. В основе их цветовой шкалы использован принцип, отображающий особенности экологических условий фитоценозов и их классификационную соподчиненность. На картах крупного масштаба применяются также условные знаки. Для обозначения основных типов растительности используются следующие цветовые обозначения: тундра показывается розовым цветом, темнохвойные леса — фиолетово-коричневым, широколиственные леса — зеленым, болотная растительность - синим и т.д. Примером оформления подобного типа карт может служить Геоботаническая карта СССР масштаба 1: 4 000 000. Советскими картографами разработан также проект международной шкалы для геоботанической карты мира.

Содержание геоботанических карт в значительной степени определяется ее масштабом. Выделяют четыре группы карт, которые в зависимости от масштаба отображают определенные категории растительного покрова (табл. 5).

Таблица №5. Группы карт, распределенных по масштабу

Геоботанические карты крупного масштаба создаются на основе материалов полевой съемки. Поскольку границы растительности на местности прослеживаются визуально, в геоботаническом картографировании применяются топографические методы, включая дешифрирование аэрофотоснимков.

При полевом изучении растительного покрова выявляются наиболее типичные группы растительности, которые занимают наибольшую площадь и соответствуют определенным экологическим условиям. С этой целью производится описание пробных ботанических площадок. Затем составляется гербарий, который используется для точного определения видового состава ассоциаций. Закономерности распространения ареалов, установленные по маршруту, отображаются на геоботаническом профиле. Зарисовка профиля ведется в соответствии с выбранным масштабом. Геоботаническое дешифрирование аэрофотоснимков применяется для изучения растительного покрова, и в настоящее время широко применяются аэроснимки. Объектом исследования на них являются фитоценозы.

На аэрофотоснимках масштабов 1: 10 000 — 1: 25 000 практически различимы все типы растительности: тундра, леса, пустыни, болота и др.

Дешифровочными признаками для распознания растительности являются: тон фотоизображения (обусловлен цветом растительности) и структура фотоизображения, которая отражает морфологию фитоценоза.

Фотоизображение лесной растительности имеет характерную зернистую структуру, так как на аэрофотоснимках изображаются проекции крон деревьев разной величины и очертаний.

Рисунок 81. Изображение леса на аэрофотоснимке

Установлено, что каждая лесообразующая порода на снимке распознается по определенной форме зернистой структуры фотоизображения (рис. 81). Эффективность дешифрирования можно повысить при применении цветных и спектрозональных снимков.

Легко различимы на аэрофотоснимках типы тундр (лишайниковые, моховые, мохово-кустарничковые, арктические), типы болот. Например, в пределах верхового болота по структуре фотоизображения достоверно распознаются сфагновые сосняки, сфагново-кустарничковая ассоциация и др. (рис. 82). Разработана также методика дешифрирования растительных ассоциаций пустынь.

При геоботаническом дешифрировании мы получаем, прежде всего, качественную характеристику растительности. Она включает получение таких показателей, как определение границы контура фитоценозов, определение их видового состава.

При геоботаническом дешифрировании получают также объективные количественные показатели. Измерительное дешифрирование имеет большое значение при изучении лесной растительности. По аэрофотоснимку могут быть определены такие показатели, как высота леса, толщина стволов, расстояние между деревьями.

Основываясь на этих данных, получают хозяйственную (таксационную) характеристику леса.

Дешифрирование растительности широко применяется при геоботаническом картографировании.

Методы геоботанического картографирования. В настоящее время для создания геоботанических карт крупного масштаба (1: 5000— 1: 25 000) применяются сплошные контурные съемки с применением инструментальных и полуинструментальных методов.

При съемке в масштабе 1: 100 000 на больших площадях применяется метод маршрутной съемки. Маршрут прокладывается с учетом рельефа в виде экологических рядов.

Рисунок 82. Изображение болота на аэрофотоснимке

Граница контуров на межмаршрутных участках определяется путем интерполяции. Контурная и маршрутная съемки производятся на топографической основе.

Среднемасштабные карты создаются методом полевого маршрутного рекогносцировочного обследования. Применяются также камеральные методы с использованием топографических, специальных карт и аэрофотоснимков. По маршруту производится описание растительных ассоциаций, определяются их дешифровочные признаки, опознаются границы контуров. В настоящее время все более широкое применение находит аэрогеоботаническая съемка. Этот метод позволяет в кратчайший срок картографировать большие труднодоступные территории тундры, пустыни, тайги. Работа геоботаника в полете сводится к определению по маршруту каждого контура фитоценоза и опознанию его на аэрофотоматериалах (фотосхеме).

Геоботанические карты имеют большое практическое значение. Так, для решения сельскохозяйственных задач составляются специальные карты, на которых, помимо геоботанических данных, показываются дополнительные хозяйственные элементы. К специальным картам относятся: лесные карты, карты пастбищ и кормовых угодий. Особый вид представляют индикационные карты. На них растительный покров избран в качестве индикатора для определения глубины залегания подземных вод, степени засоленности почв, поиска полезных ископаемых и т. д.

Современные топографические карты содержат достаточно подробную характеристику растительного покрова. При изображении растительности топографы придерживаются классификации, принятой в геоботанике, однако, в основу классификации на топографических картах заложены жизненные формы растений.

На топографических картах масштабов 1: 10 000—1: 25 000 выделяют следующие жизненные формы: древесная растительность, кустарниковая, травяная, кустарничковая, мохово-лишайниковая. Выделяется также культурная растительность (пашни, фруктовые сады, виноградники и др.). Указанные жизненные формы растений отображаются системой условных знаков. Выделяют и площади природных угодий: леса, луга, болота, ягельные пастбища и др.

Наиболее подробно на топографических картах отображается древесная растительность. Для ее характеристики приводятся следующие данные: показывается площадь, занятая лесом, и его граница; состав древесных пород I яруса; состояние лесного покрова (сплошной, низкорослый, вырубка); высота деревьев, средний диаметр ствола и расстояние между деревьями. Эти данные приводятся не только для оценки проходимости леса, но и для определения лесохозяйственных свойств, продуктивности. Указанные характеристики леса получают в процессе полевого и камерального дешифрирования аэрофотоснимков.

На топографических картах подробно отображается болотная растительность. Ее характеристика включает целый комплекс признаков болот: характер растительности (древесная, кустарниковая, кустарничковая, камышовая, тростниковая, моховая и др.); сложный рельеф поверхности и внутренняя гидрографическая сеть; обводненность болот. Последние два признака определяют степень проходимости болот. Установлено, что проходимость болот во многом зависит от характера растительности. К числу проходимых болот относятся сфагново-сосновые, осоковые и мохово-кустарничковые, к непроходимым — хвощовые, моховые с грядово-мочажинным или грядово-озерным рельефом. На топографических картах знак проходимости болот всегда сочетается со знаком растительности и микрорельефа поверхности.

Растительность полупустынь и пустынь на топографических картах показывается знаками полукустарников, которые сочетаются с изображением каменистых россыпей, отдельных деревьев, а также солончаков и такыров.

Аэрофотосъемку для топографических целей следует производить в сроки, которые лучше обеспечивают дешифрирование аэрофотоснимков. Выбор сроков производится с учетом изменений растительных аспектов каждой зоны в течение всего вегетационного периода. Таким образом, в песчаных пустынях аэрофотосъемку лучше производить, когда заканчивается развитие эфемерной растительности, так как точнее определяется степень задернованности поверхности (начало апреля — середина июня). Сроки аэрофотосъемки в лесной зоне устанавливаются с учетом фенологического состояния леса (при отсутствии листвы, при распускающихся листьях, при осенней раскраске листьев). Картограф и топограф должны обладать не только знаниями технологических вопросов, но и хорошо понимать сущность картографируемой растительности, особенности ее фитоценозов. Эти знания необходимы картографу при решении таких вопросов, как правильное использование условных знаков на карте, разработка проекта цветового оформления, решении вопросов картографической генерализации, дешифрирование растительности на аэрофотоснимках и др.