Использование снимков с беспилотного летательного аппарата для оценки экологического состояния почвенно-растительного покрова урбанизированной экосистемы

В последние годы активно развивается новое направление в исследовании экосистем – использование материалов с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Беспилотные технологии существуют в военных целях давно, но в течение последнего десятилетия в этой области произошел серьезный прорыв: миниатюризация вычислительных систем и развитие спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС) позволили использовать беспилотные летательные аппараты, у которых габариты, масса, а главное, стоимость работ на порядки меньше прежних. Наиболее широкий практиче- ский опыт применение БПЛА имеет при изучении нефте- и газопроводов, ЛЭП, лесов и лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз), охране границ, обеспечении телекоммуникаций. В научной сфере – это изучение Арктики и Антарктики (Новости из Антарктиды от 02.07.2010), охрана природы (Новости Росприроднадзора от 27.12.2010), изучение растительности в труднодоступных районах (GIM International, февраль, 2013). В области сельского хозяйства -получение информации о дефиците или избытке микроэлементов, влаги и тепла в почве (agrophys.ru)

Цель исследований – оценка экологического состояния почвенно-растительного покрова урбанизированной экосистемы, как наиболее динамично изменяющегося в городских условиях компонента ландшафта, с использованием материалов БПЛА на примере ключевого участка “Курилово” в Новой Москве. Для решения поставленной цели использовали цветную съемку с легкого беспилотного летательного аппарата и современные геоинформа-ционные технологии (MapInfo, ArcGIS, PhotoScan ).

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ

Ключевой участок “Курилово” включает поселок городского типа Курилово и прилегающие к нему территории. Он расположен у пересечения Московского автомобильного малого кольца с автодорогой “Подольск А101” , примерно в 13 км к юго-западу от г. Подольск. Общая площадь участка – 191.4 га, из которой 44% – массивы лесов. Остальная территория занята многоэтажной и личной застройкой, промышленными предприятиями, гаражами, дорогами и др.

Ключевой участок представляет собой полого-увалистую равнину, покрытую густой сетью балок.

Согласно ботанико-географическому районированию (Растительность европейской…, 1980), ключевой участок входит в зону распространения широколиственно-еловых (подтаежных) лесов. В настоящее время широколиственно-еловые леса, занимавшие наиболее плодородные почвы, вырублены, на их месте сохранились небольшие по площади массивы, представленные длительно производными березовыми и осиновыми лесами с участием широколиственных пород (преимущественно дуба). Значитель- ные площади заняты искусственными посадками ели, возрастом около 50 лет.

Особенности почвенного покрова определяются спецификой почвообразующих пород, представленные в основном покровными суглинками. Наиболее распространены дерновосреднеподзолистые почвы. Они приурочены, главным образом, к водоразделам и слабопологим склонам. Однако строительство крупных автомобильных дорог вокруг пос. Курилово привело к подпору и выклиниванию на поверхность грунтовых вод, образованию многочисленных болот вдоль трасс и созданию условий для формирования избыточно увлажненных (глеевых) почв.

В работе использовали цветную фотосъемку с легкого БПЛА “Птеро-Е”, произведенная ООО “АФМ-Серверс”. Съемку проводили с высоты 300 м в августе 2012 г. На БПЛА размещали профессиональную фотокамеру Cannon Marck II с разрешением матрицы 5616 × 3744 пикселей (4–5 см). Все фотоснимки обрабатывали и сшивали в ортофотоплан с привлечением топографического плана местности и программного обеспечения PhotoScan.

Исследование небольшой по площади, но важной по значению территории, целесообразно проводить с беспилотных летательных систем, что обеспечивает получение снимков высокого разрешения (до 10 см), возможность съемки с небольших высот (150–600 м), вблизи интересующих объектов, оперативность получения данных (от двух недель до месяца) и рентабельность работ. Недостатками являются: значительная ошибка определения координат центра снимка (10-15 м) под влиянием бокового сноса, отклонений по крену и тангажу беспилотника; большое количество снимков для обработки, съемка, ограниченная небольшими по площади территориями, и невозможность получения разрешения на съемку любого участка. В нашем случае разрешение на проведение съемки с БПЛА было получено только для территории Новой Москвы, где выбрали характерный для южной части города участок (пос. городского типа Курилово и его окрестности).

Работы провели в оптимальное время съемок – августе – начале сентября, когда хорошо проявляется жизненность деревьев, затем изучили информационные возможности снимков и создали эталоны дешифровочных признаков (таблица), которые подтверждали маршрутными наземными исследованиями. Эталоны дешифрирования представляют собой выделенные на снимке фрагменты, которые служили образцом для экстраполяции дешифровочных признаков. Наземные маршруты охватывали территории с различными формами рельефа и дополняли базу данных информацией, которую невозможно получить дистанционно. В результате по материалам съемок создали экологическую карту на территорию ключевого участка “Курилово” за 2012–2013 гг. (рисунок). Далее составили специализированную ГИС и экологическую базу данных (оболочка ArcGIS), содержащую картографические материалы на ключевой участок, наземные и лабораторные исследования почвенно-растительного покрова. При картографировании применяли классификацию городских почв М.Н. Строгановой с соавт. (1997).

Карту создавали с использованием ГИС-оболочки MapInfo путем визуального дешифрирования ортофотоплана по прямым и косвенным дешифровочным признакам. Такой подход связан с тем, что способности человека анализировать изображение пока существенно лучше возможностей техники, что особенно актуально для урбоэкосистем, с их изменчивостью. При дешифрировании проводили анализ тона, структуры, рисунка фотоизображения, формы и размера объектов, их расположение по отношению к инфраструктуре. Не меньшее внимание обращали на косвенные дешифровочные признаки – взаимные связи между компонентами ландшафта (элементами рельефа, растительностью и почвами).

Установлено, что информационные возможности материалов с БПЛА позволяют в лесу подсчитать количество деревьев верхнего яруса, определить происхождение леса (естественный, искусственный, производный), состояние (вырубки, суховершинность, снеголомы, ветровалы, поражение хвойных деревьев жуком-типографом и др.), возраст и видовой состав практически каждого дерева, в местах вырубки – видовой состав подроста. По снимкам с БПЛА можно выделить преобладающий тип естественных почв и очаги потенциального загрязнения, антропогенные и техногенные группы почв и их комплексы, переуплотненные, механически разрушенные, запечатанные почвы и др.

Информационные свойств материалов с беспилотного летательного аппарата (БПЛА) (высота съемки 300 м)

Фрагмент комплексной экологической карты ключевого участка “Кури-лово” (Новая Москва) масштаба ~ 1 : 2500. Условные обозначения. Растительность : 1 – ельник (посадки возрастом около 20 лет); 2 – ельник (посадки возрастом до 50 лет) с примесью липы, березы; 3 – береза с примесью ели; 4 – болото низинное; 5 – рудеральная травянистая. Почвы : 6 – дерново-подзолистые глееватые и глеевые; 7 – перегнойно-глеевые; 8 – дерново-среднеподзолистые в комплексе с урбаноземами; 9 – интру-земы; 10 – экраноземы с водонепроницаемой поверхностью; 11 – экрано-земы под зданием. Экологическое состояние : 12 – деревья, поврежденные жуком-типографом; 13 – тропинки с переуплотнением почвы; 14 – дорожная насыпь.

Вместе с тем, следует отметить, что информационный потенциал используемых материалов огромен и не был реализован полнее из-за ограниченного срока проведения работ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследования 2012–2013 гг. показали, что территория ключевого участка (191.4 га) хорошо озеленена за счет окружающих поселок лесов (84.65 га), городских (4.25 га) и садово-огородных (12.56 га) посадок, зеленые насаждения составляют более половины всей площади. Леса состоят из производных березовых (с примесью дуба и осины, 67.6 га) и еловых одновозрастных посадок (с примесью липы, березы, 17.05 га), произрастающих на дерновоподзолистых глеевых и глееватых почвах. Имеется значительная по площади (4.0 га) вырубка леса (7–10 лет) с подростом из березы, ели, липы. Площадь балочных производных лесов из осины, березы и тополя на дерновых смыто-намытых почвах составляет 0.75 га.

Болота и перегнойно-глеевые почвы занимают небольшую площадь (0.69 га) и сосредоточены в лесу вдоль автомобильных дорог. Они заняты щучниками и осоковниками с единичными березами и ивами.

Почвы исследуемых лесных массивов (дерново-глеевые и глееватые) – кислые, с низким содержанием подвижного фосфора (4.0–8.1 мг Р2О5/100 г почвы) и высоким содержанием подвижного калия (16–23.5). Проведенный анализ показал, что в почвах леса валовые содержания тяжелых металлов не превышают ОДК (Zn до 62 мг/кг при ОДК – 110, Pb – 24–40 при ОДК – 110, Сu – 24 при ОДК – 66, Cd – 0.15–0.40 при ОДК – 1.0). В то же время содержание подвижного свинца, переходящего в ацетатно-аммонийную вытяжку – повышенное, и в некоторых случаях превышает ПДК (10.5 мг/кг свинца в почвах ельника у дороги, ПДК – 6), что является следствием загрязнения от потока автомобилей, проходящего по федеральным трассам.

Березовые древостои обследованной территории – вторичные, сформировались еще до подтопления и в настоящее время испытывают угнетение. Часть их повалена. Общая площадь поваленных деревьев на участке составила 1.7 га. Усыхание крон (су-

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2014. Вып. 74. ховершинность) у берез (1.19 га) также является следствием переувлажнения почв и грунтов.

Еловые леса исследуемой территории, как и многие еловые леса Подмосковья, оказались поражены вредителем жуком-типографом, что вызвало уничтожение части из них (2.1 га). Снижающим фактором устойчивости еловых массивов является искусственное происхождение и одновозрастность.

Наши работы подтверждают результаты других исследований (Аналитический доклад, 2003), что чистые одновозрастные насаждения не обладают высокой устойчивостью к таким негативным факторам, как подтопление и нашествие насекомых. Поэтому, одной из главных задач должен стать возврат к смешанным многоярусным насаждениям и разным соотношением возрастов деревьев, где негативные факторы не смогут оказывать давление на лесной массив в целом.

Рекреационная нагрузка в лесах незначительная (площадь дорожно-тропиночной сети составляет 0.48 га, открытых пространств – 0.13 га) и негативного влияния на почвенно растительный покров не оказывает.

В почвенном покрове ключевого участка преобладают и сохранены ареалы естественных почв (120.68 га), расположенные в лесах (84.65 га, дерново-подзолистые глееватые и глеевые; 0.69 га, перегнойно-глеевые), балках (2.99 га, дерновые смыто-намытые) и на лугах вокруг поселка (32.35 га, дерново-подзолистые нарушенные). Антропогенно-преобразованные группы почв под застройкой, дорогами, промпредприятиями и др. (урбаноземы, экранозе-мы, интруземы) составляют 56.06 га, техногенные (газоны) – 4.73 га.

Почвы садово-огородных участков (культуроземы) по агрохимическим показателям имеют такие общие свойства, как большие по сравнению с фоном значения рН (реакция среды близкая к нейтральной), высокие содержание обменного кальция (до 44.3 мг-экв/100 г почвы), подвижного калия (до 48.5), очень высокие содержания подвижного фосфора, которые в некоторых случаях достигали 243 мг Р2О5/100 г почвы, что связано с неумелым использованием удобрений, а согласно авторам (Борисочкина, Водяницкий, 2007) при внесении неоправданно высоких доз удобрений, возникает еще риск попадания в почву таких элементов,

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2014. Вып. 74. как кадмий, фтор, стронций и мышьяк. Также, в почвах огородов, находящихся у дорог, нами зафиксированы повышенные концентрации (превышающие ПДК) подвижного свинца (6.4 мг/кг, ПДК– 6) и подвижного цинка (до 30.6, ПДК – 23).

В городских кварталах среди древесно-кустарниковой растительности (4.25 га) доминирующими породами являются тополя и вязы, набор выращиваемых кустарников характерен для городов Подмосковья. Газоны (4.72 га) жилых кварталов заняты преимущественно рудеральной растительностью. Они созданы на насыпных грунтах (реплантоземах), которые обладают благоприятными почвенными условиями (нейтральная реакция среды, хорошая обеспеченность обменным кальцием, фосфором, калием). Содержание тяжелых металлов в почвах газонов – нормальное (валовое содержание Zn в почвах газона – 71 мг/кг, ОДК –220; Pb – 19, ОДК – 130; Cu – 27, ОДК – 132; Cd – 0.33, ОДК – 2,0). Концентрации подвижных форм также не превышают ПДК (Zn – 4.2 мг/кг, ПДК – 23; Pb –2.6, ПДК– 6; Сu – 1.8, ПДК – 3).

Значительную площадь исследуемой территории занимают карьеры (6.27 га), созданные для добычи строительных материалов, один из которых (3.07 га) был стихийно засыпан промышленно-бытовыми отходами и представляет собой угрозу для жителей поселка, загрязняя атмосферу, почвы, грунтовые воды. Загрязнение почв тяжелыми металлами вокруг свалки подтверждено лабораторными химическими анализами. Здесь обнаружено повышенное валовое содержание меди (68 мг/кг), превышающее ОДК для почв кислого ряда. Также зафиксировано повышенное содержание (превышающее ПДК) подвижных форм меди (3.5 мг/кг) и свинца (6–14 мг/кг). Отмечено уменьшение содержания обменного кальция и подкисление почв окружающей территории, которое способствует увеличению миграции тяжелых металлов и усиливает вероятность загрязнения сопредельных сред. Небольшие промышленные свалки имеются и на территории промпредприятий (0.08 га).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Аэрофотоснимки с БПЛА (“Птеро-М”) обладают высокой разрешающей способностью и информативностью, позволяют быстро и надежно провести экологический анализ почвенно- растительного покрова урбанизированной экосистемы. Исследования на основе автоматизированного дешифрирования снимков ключевого участка выявили, что в почвенном покрове преобладают и сохранены ареалы естественных почв (123.76 га), расположенные в лесах, балках и на лугах вокруг поселка. Антропогенно-преобразованные группы почв под застройкой, дорогами, пром-предприятиями и др. составляют 56.06 га, техногенные– 4.73 га. Зеленые насаждения ключевого участка представлены лесами (84.65 га), городскими (4.25 га) и садово-огородными (12.56 га) посадками. Леса состоят из производных березовых (67.6 га) и еловых одновозрастных деревьев (17.05 га). В результате строительства дорог вокруг поселка и, как следствие, подтопления поч-во-грунтов произошло падение деревьев (1.7 га) и усыхание крон (1.19 га) у берез. Еловые леса на площади 2, 1 га оказались поражены и уничтожены вредителем жуком-типографом. Значительную площадь территории занимают карьеры (6.27 га), один из которых (3.07 га) засыпан промышленно-бытовыми отходами и загрязнил почвенный покров, что подтверждено лабораторными химическими анализами (повышенное валовое содержание меди (68 мг/кг), подвижных форм свинца (6–14 мг/кг)).

429с.