Анализ динамики лесных ландшафтов административного района средствами геоинформационных технологий

Лесные ландшафты всегда играли важную роль и выполняли разнообразные функции в жизни как отдельного человека, так и общества в целом. Традиционно это экономическая или ресурсная роль лесопользования – источник различной лесопродукции: древесины, живицы, лекарственного сырья, грибов, ягод, дичи, база пчеловодства и т. п. Очень важно то, что лесные ресурсы являются возобновляемыми, хотя этот процесс весьма долговременный и трудоемкий. Неоценимо значение лесных геосистем как части вмещающей ландшафтной и культурно-исторической среды, под воздействием и в пределах которой происходил этногенез и формировались этнокультурные особенности и обычаи многих народов нашей планеты.

В настоящее время в условиях интенсивной антропогенной трансформации геопространства, в связи с повсеместным ухудшением геоэкологического состояния значение лесных геосистем существенно изменилось. Будучи важнейшей составной частью окружающей человека среды, лесные ландшафты в значительно большей степени влияют на климатические особенности; способствуют формированию и сохранению экологически чистых поверхностных и подземных вод и кислорода атмосферного воздуха; обеспечивают защитные функции сельскохозяйственных ландшафтов (особенно их растительности и почвенного покрова); определяют районы комфортного проживания и отдыха населения, выполняя санитарно-гигиенические и оздоровительные функции, способствуют сохранению биологического разнообразия геосистем, выполняя, таким образом, и важнейшие средообразующие и средостабилизирующие экологические функции.

Вместе с тем лесные, а также другие генетически и территориально сопряженные с ними геосистемы, образующие лесохозяйственные ландшафты, по-прежнему сохраняют свое значение в качестве источника трудовой деятельности, материальной независимости и благополучия значительной части проживающего в них населения, выполняя важную социальную роль и являясь частью культурных ландшафтов [25; 29].

Отечественные лесоведы (Г.Н. Высоцкий, А.А. Крюденер, И.С. Мелехов, Г.Ф. Мо- розов, В.Г. Нестеров, Н.С. Нестеров, П.С. Погребняк, П.П. Серебрянников, В.Н. Сукачев, М.К. Турский, Г.Р. Эйтинген и др.) рассматривали лес как биогеоценотическое, географическое и историческое явление [10].

Поскольку лесные геосистемы зависят от ландшафтно-экологических условий и характера антропогенного воздействия, изучение динамики и направлений их развития имеет важное практическое значение. Природные факторы, и особенно разнообразная хозяйственная деятельность (лесные пожары, разного вида рубки, выпас скота и т. п.) [1; 4; 6; 11; 19; 23; 24; 26; 27; 28; 30] приводят к экологическим сукцессиям или необходимости искусственного лесовозобновления.

Понимание отрицательных последствий как антропогенной деятельности в целом, так и одного из важнейших ее проявлений – уменьшения площади лесных ландшафтов, сопряженных с ними геосистем и даже полного истребления лесов, пришло уже давно [23; 28; 30; и др.]. Так, один из корифеев немецкого лесоводства первой половины XIX в. Г. Котта цитирует своего предшественника Э. Арндта: «С истреблением лесов изменяется вся атмосфера, и земля делается сухою и безобразною, представляя вид, как будто она навсегда уже истощена и ни на что более не годится. Кто отнимает у земли леса, а особливо истребляет их на горах и высотах, тот, можно сказать, похищает у людей драгоценнейшее их достояние» [6, с. 63].

Актуальными проблемами, имеющими важное теоретическое значение для решения фундаментальных и прикладных проблем взаимоотношений степных и лесных ландшафтов в условиях лесостепной зоны, являются изучение динамических проблем лесных геосистем и рациональное использование их компонентов в условиях интенсивного антропогенного воздействия. Результаты исследований динамических процессов в разных секторах европейской лесостепи говорят о сходности их этапов и направлений. В первую очередь, это сильва-тизация растительного покрова (распространение деревьев и кустарников) как следствие преимущественно климатических изменений [12; 17]. Представляют существенный научный и практический интерес анализ и сравнение динамических процессов в лесных геокомплек- сах в условиях заповедных режимов и под влиянием антропогенных факторов, исследование различных аспектов сохранения основных компонентов лесных ландшафтов (прежде всего растительности) в условиях антропогенных воздействий разной степени [17].

Динамика лесных ландшафтов – это, в первую очередь, изменение количественных и качественных характеристик лесного фонда, происходящее во времени и пространстве в результате роста и развития леса, а также под влиянием различных природных и антропогенных воздействий, в частности лесохозяйственных мероприятий и лесопользования. В процессе динамики меняется породная и возрастная структура лесов, запасы древесины, но в первую очередь изменяется соотношение площадей лесопокрытых и свободных от лесной растительности земель.

Тенденции динамики лесных геосистем могут быть как положительными, так и отрицательными. К положительным (с точки зрения лесоустройства и лесопользования) тенденциям относят, например, увеличение площадей земель, покрытых лесной растительностью, доли лесных культур и насаждений хозяйственно-ценных (целевых) древесных пород, размера текущего изменения древесного запаса; сокращение площадей фонда лесовосстановления, малоценных насаждений, нелесных земель и т. п. Отрицательными тенденциями динамики лесного фонда, напротив, считаются сокращение площади земель, покрытых лесной растительностью, и хозяйственно-ценных насаждений, величины текущего изменения запасов древесины; увеличение площадей малоценных насаждений; прогрессирующее накопление спелых и перестойных насаждений (особенно малоценных древесных пород) [17].

Изменение площади лесных ландшафтов и сопряженных с ними геосистем происходит в силу причин разного рода – как естественных, природных, так и связанных с деятельностью общества, антропогенных. Хотя это разделение достаточно условно, к первым можно отнести динамику границ лесной зоны в связи с изменениями климата (хотя климатические изменения теперь уже даже на глобальном уровне могут быть вызваны антропогенными воздействиями), пожары (есте- ственные – после гроз в результате ударов молнии, но гораздо чаще антропогенные), процессы естественного лесовозобновления [опять-таки в результате снижения интенсивности или прекращения антропогенной (прежде всего сельскохозяйственной) деятельности] [24; 26; 27]. Вторые включают прямое уничтожение леса в результате вырубок, антропогенные пожары, аграрное природопользование в лесах – прежде всего выпас скота (в последние десятилетия его действие значительно снижено). Антропогенная деятельность может способствовать и увеличению лесопокрытой площади – как напрямую (посадки лесовозобновления, полезащитные лесные полосы), так и опосредованно [забрасывание сельскохозяйственных земель (особенно пашни) и самопроизвольное зарастание залежи лесом] [17].

Лесной фонд является природно-хозяйственным объектом федеральной собственности, лесных отношений, управления, использования и воспроизводства лесов. Он представляет собой совокупность лесов, лесных и нелесных земель в границах, установленных в соответствии с лесным и земельным законодательством.

Это важнейший элемент экологического каркаса Мордовии, площадь которого достигает 750 тыс. кв. км составляя 29 % территории республики, исходя из чего она отнесена к числу малолесных субъектов Российской Федерации. В западной ее части лесистость достигает 46,7 %, в восточной – 19,1 %, а в центральной – 34,2 % [3; 4; 9]).

В соответствии с лесорастительным районированием (приказ Федерального агентства лесного хозяйства от 9 марта 2011 г. № 61 «Об утверждении Перечня лесорастительных зон Российской Федерации и Перечня лесных районов Российской Федерации») леса Мордовии отнесены к хвойно-широколиственной зоне лесов хвойно-широколиственного лесного района Европейской части Российской Федерации и лесостепной зоне лесов лесостепного лесного района [4; 9]. Для предварительного определения районов распространения лесных геосистем на основе ландшафтной карты Мордовии и региональной части справочника «Ландшафты Земли» [3; 15] авторами создана карта, показывающая особеннос- ти территориальной пространственной привязки различных типов растительности, среди которых преобладают лесные (см. рис. 1).

Кроме смешанных, хвойно-широколиственных и широколиственных лесов на территории республики распространены кустарниковые и луговые степи, пойменная растительность (см. рис. 1). Особенности ландшафтноэкологических условий республики определяют возможность произрастания различных лесообразующих древесных пород. Основными являются сосна обыкновенная, ель обыкновенная, дуб черешчатый, ясень обыкновенный, клены платановидный и остролистный, вяз гладкий, березы бородавчатая и пушистая, ольха клейкая и черная, липа мелколистная, тополь черный. Из кустарников наиболее распространены бузина, ива, калина, крушина, лещина, черемуха, шиповник [3; 4; 9].

В составе лесов преобладают мягколиственные породы деревьев (54,6 % лесопокрытой площади), хвойные занимают 30,8 %, на твердолиственные приходится 14,5 %. Первое место среди лесообразующих пород занимает береза (32,1 %), второе – сосна (29,5 %). Значительный удельный вес приходится на дубравы (13,2 %) и осину (12,6 %) [3; 4; 9].

По данным учета лесного фонда, по состоянию на 1.01 2014 г. общий запас древеси- ны основных лесообразующих пород по республике составил 110,72 млн куб. м, в том числе хвойных 119,4 тыс. куб. м, твердолиственных – 87,4 куб. м, мягколиственных – 886,8 тыс. куб. м [3; 4; 9]. Доходность лесного хозяйства составляет лишь 1,8 % внутреннего валового регионального продукта.

Леса, расположенные на землях лесного фонда (680,8 тыс. кв. км), находятся в ведении Министерства лесного и охотничьего хозяйства и природопользования Республики Мордовия. На территории республики в границах ее административных районов организовано 9 территориальных и 36 участковых лесничеств.

Цель данного исследования заключалась в изучении динамики и тенденций изменения и развития лесных ландшафтов на основе создания картографической базы данных ГИС с использованием ретроспективных картографических материалов и актуальных данных дистанционного зондирования. Анализ, сравнение, выявление и показ произошедших изменений площади лесных геосистем, картографическая визуализация динамики изменения площади земель, занятых лесной растительностью, производились на примере территории Инсарского муниципального района Республики Мордовии, расположенного на юге срединной части Республики Мордовии и гра-

Рис. 1. Карта растительности Республики Мордовии на ландшафтной основе

ничащего с Пензенской областью. Лесистость его территории 16,7 %, преобладают в основном широколиственные леса, кустарниками занято 1,4 % площади.

Как правило, динамика лесного фонда оценивается по материалам лесоустройства, имеющим длительный межинвентаризационный период. Наряду с использованием разновременных картографических материалов при определении и мониторинге площадей земель, занятых лесными ландшафтами, состава и состояния лесной растительности, исследовании ее динамических режимов необходимо широкое привлечение и применение данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), аэрокосмических и геоинформационных технологий [1; 2; 5; 7; 8; 11; 14–16; 18; 19; 21; 24; 26; 27]. Периодичность традиционного геоботанического картирования при этом может быть существенно снижена [17].

Для решения поставленных в исследовании задач в качестве основного программного обеспечения была использована ГИС «ArcView GIS», в качестве дополнительного – такие программные средства, как ГИС «SAS. Планета», ГИС «MapInfo Professional», растровый графический редактор и программный продукт для обработки данных дистанционного зондирования «ERDAS Imagine», программный комплекс для векторизации растровых изображений «EasyTrace».

Материал для ретроспективного исследования самого раннего периода времени был представлен фрагментом листа «Пенза (NN 388)» из набора военных топографических карт масштаба 1 : 250 000 на территорию Советского Союза, подготовленных картографическим сервисом корпуса инженеров армии США (Вашингтон) в 1954 г. по картам Генерального штаба Красной армии масштаба 1 : 500 000 1941 года. Исходный файл формата «txu-oclc-6519747-nn38-2» размером 8,2 Mb представлен в различных источниках сети Интернет (например, в соответствующем разделе сайта «Монетонос» – .

В качестве источника пространственной информации для следующего временного среза был использован векторный слой лесов на территории Республики Мордовии масштаба 1 : 200 000, отражающий ситуацию на 1989 год.

Дополнительно использовалась часть набора пространственных данных на территории Республики Мордовия. Характеристики всех использованных в исследовании первичных источников информации представлены в таблице.

На начальном периоде работ с исходными картографическими материалами был использован векторный редактор «Easy Trace», с помощью инструмента «Обрезка по многоугольнику» которого был подготовлен лист исходной карты 1941 г.: получены растровые

Характеристика исходных данных

Название источника	Краткое описание	Информация о координатной основе	Временная характеристика	Происхождение данных (источник, технология создания)	Формат файла
Космические снимки, полученные в ГИС «SAS. Планета» и Google Earth	Растровая модель (96 dpi).	Внешняя азимутальная проекция	Дата съемки 04.10 2013 г.	Высокоточная спутниковая съемка (высота 10–11 км)	JPEG
Mordovia (admin, rivers, lakes, towns, forests)	Часть набора пространственных данных на территории Республики Мордовии	Проекция Гаусса-Крюгера, 8 координатная зона (СК-42)	1989 г.	Цифровая копия топографической карты Республики Мордовия масштаба 1 : 200 000	Shp-файл
Лист топографической карты 1941 г. [Пенза (NN 38-8)]	Растровое изображение (300 dpi)	Проекция «Merca-tor»	1941 г.	Набор военных топографических карт масштаба 1 : 50 000 картографического сервиса корпуса инженеров армии США	JPEG

изображения меньшего объема без потери качества, содержащие только необходимую картографическую информацию.

Исследования динамики площади лесных геосистем на основе ГИС и аэрокосмических технологий с использованием данных ДЗЗ базируются на сопоставительном дешифрировании разновременных космических фотографических снимков одной и той же территории, представляющих собой спектральные временные образы изображенных на них объектов, извлечении из них динамической информации, выявлении произошедших изменений, их графическом отображении и последующей содержательной интерпретации [5; 8; 14; 18; 21]. Все приемы совместного наблюдения разновременных космических снимков требуют предварительной коррекции – трансформирования и приведения к единым масштабу и проекции.

Для анализа и визуализации современных площадей, занятых лесными ландшафтами, в качестве источника применялись космоснимки, полученные с помощью программного обеспечения ГИС «SAS. Планета» и возможностей сервиса Google Earth «Карты Google» [1; 5; 18; 21] (см. рис. 2). Они являются наиболее доступными, хотя известен и опыт сравнительной оценки степени лесистости территории Мордовии с использованием спутниковых снимков LANDSAT [2].

В процессе создания карт и осуществления картометрических морфометрических работ была использована проекция Гаусса– Крюгера [Пулково 1942 (СК-42)] 8-й координатной зоны. Ее применение позволяет прак- тически без существенных искажений показать довольно значительные участки земной поверхности, изображение которых практически не имеет искажений и допускает выполнение любых картометрических и морфометрических работ.

Для проекции Гаусса – Крюгера характерны умеренное и легко учитываемое изменение масштабов в пределах зон, их единообразие, универсальность и глобальность координатных систем [13]. А такие ее недостатки, как отсутствие единой системы координат и значительные искажения на краях зон, учитывая что Республика Мордовия (не говоря уже о территории отдельного административного района) расположена в пределах одной координатной зоны, не имеет никакого значения.

При установке параметров проекции в качестве сфероида использован эллипсоид Красовского, приняты центральный меридиан 45° и восточное смещение в 500 000 м, хорошо подходящие для картографических исследований на территории Республики Мордовии.

Все дальнейшие работы по трансформированию исходных растровых геоизображений, их регистрации, дешифрированию и оцифровке производились с использованием возможностей программного обеспечения «ERDAS Imagine», «ArcView» и «MapInfo».

Поскольку система координат в программе Google Earth – WGS-84, для дальнейшего трансформирования снимков координаты контрольных точек должны быть пересчитаны в прямоугольную систему координат СК-

Рис. 2. Исходные космоснимки территории Республики Мордовия ( а ) и Инсарского муниципального района ( б )

42 проекции Гаусса – Крюгера. Перевод координат из одной системы в другую осуществляется с использованием «ERDAS Imagine» c использованием координатного калькулятора (Tools_Coordinate calculator), а затем производится трансформирование космических снимков с целью составления мозаики. Все снимки в программе «ERDAS Imagine» сшиваются с высокой точностью и выравниваются их спектральные характеристики, что в дальнейшем существенно облегчает проведение дешифрирования (как визуального, так и автоматизированного) [1; 5; 8; 14; 18; 21].

Дальнейшая обработка информации трансформированных снимков и оцифровка полигональной темы лесных ландшафтов производилась в созданном проекте ГИС «ArcView» с использованием инструмента «Полигон», там же предварительно было осуществлено формирование набора пространственной информации базы данных ГИС для целей картографирования с определением состава и характера локализации слоев географической основы, последующими разработкой содержания и составлением электронных тематических карт [7; 8; 11; 16; 17; 19; 22]. Все полученные в процессе исследований картографические материалы были составлены в масштабе 1 : 250 000, в котором территория Инсарского района полностью размещается на листе формата А4. Для ГИС-картографирования и получения итоговых карт, например, распространения лесных ландшафтов Инсарского района 1941 г. (рис. 3, а ),

2013 г. (рис. 3, б ) и ряда других, был использован способ качественного фона.

С целью выявления динамики площади лесных ландшафтов в ГИС MapInfo были произведены наложение (оверлей) векторных слоев, анализ и сравнение полученных карт с выявлением направленности (увеличение или снижение) произошедших изменений (см. рис. 4) и их возможных причин. В случае обработки растровых картографических материалов возможно использование инструментария растровой алгебры (алгебры карт) [20].

Проведение картометрических работ позволило получить данные о площадях лесных ландшафтов на территории Инсарского района для каждого из изученных временных срезов (кв. км):

1941 г 147,8

1989 г 186,9

2013 г 211,5

Количественные характеристики сохранившихся, исчезнувших и вновь появившихся лесных массивов Инсарского района за период с 1941 по 2013 г. выглядят следующим образом (кв. км):

Новые  21,8

Сохранившиеся 131,2

Исчезнувшие  32,5

Анализ полученных результатов и картографических материалов показал, что площадь лесных ландшафтов Инсарского райо-

Масштаб 1:600 000

а                                        б

Рис. 3. Лесные ландшафты Инсарского района:

а – 1941 г.; б – 2013 г.

Рис. 4. Динамика площади лесных ландшафтов Инсарского муниципального района

на, полученная по картографическим материалам 1941 и 1989 гг., превышает площадь лесного фонда, полученную в результате дешифрирования актуальных данных ДЗЗ 2013 г. (16,7 % территории). Главной причиной увеличения площади лесных геосистем следует считать забрасывание и неиспользование земель сельскохозяйственного назначения. Вместе с тем необходимо отметить, что на части территории района произошло незначительное уменьшение площади лесных геосистем, связанное с вырубкой леса и пожарами (главным образом, печально знаменитого пожара 2010 г.).

Полученные в результате исследований геоинформационно-картографические модели и статистические данные могут быть использованы при проведении природного компьютерного картографирования на локальном уровне и создании более детальных карт соответствующего комплексного атласа (растительности, лесов, лесных полезащитных полос, подлеска, лесной травянистой растительности, распространения лекарственных растений, лесохозяйственной, нарушенности фитоценозов и др. [11].

Полученные материалы являются геоин-формационно-картографической основой для принятия управленческих решений в сфере лесного хозяйства и лесопользования, организации и ведения мониторинга и направлены на решение задач оптимизации регионального природопользования [1; 16–21].