Исследование динамики экосистем на особо охраняемой природной территории «Осинская лесная дача»

Автор: Андреев Дмитрий Николаевич

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Наземные экосистемы

Статья в выпуске: 5-1 т.14, 2012 года.

Бесплатный доступ

Выполнен анализ динамики экосистем на особо охраняемой природной территории «Осинская лесная дача» по разновременным космическим изображениям Landsat. Работа проводилась с использованием программ ArcGIS и ENVI. По итогам анализа выявлены нарушенные участки в результате антропогенного фактора, которые имеют пространственно-временные характеристики. Также выделены участки, на которых наблюдаются признаки восстановления. Помимо этого, описаны возможные причины отмеченных изменений. Использованные методы позволяют быстро, достаточно достоверно и с минимальными затратами выполнять анализ динамики экосистем на различных территориях.

Еще

Данные дистанционного зондирования земли, динамика экосистем, особо охраняемые природные территории, осинская лесная дача

Короткий адрес: https://sciup.org/148205623

IDR: 148205623

Текст научной статьи Исследование динамики экосистем на особо охраняемой природной территории «Осинская лесная дача»

Д ля комплексного изучения взаимосвязанных процессов, происходящих в природной среде, активно используются методы дистанционного зондирования Земли. Преимущества дистанционных методов исследования – это высокая степень интегрирования информации во времени и пространстве, возможность одновременного отслеживания множества параметров природной среды, доступность для анализа не точечной, а пространственной информации. Исследования динамики природных процессов базируется на использовании совокупности разновременных снимков на одну и ту же территорию, и на космическом мониторинге [2].

Изучение изменений природных комплексов и степени антропогенного воздействия на окружающую среду, как одна из задач экологического мониторинга, связано с построением карт динамики природной среды. Такие карты позволяют отразить не только структуру, но и существо явлений и процессов [3].

Использование геоинформационных систем (ГИС) и данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) для экологической оценки экосистем позволяет наиболее точно отразить состояние окружающей среды, выявить произошедшие изменения, что впоследствии позволит оптимизировать режим природопользования, разработать и внедрить природоохранные мероприятия.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Исследование динамики лесных экосистем с использованием ДДЗЗ выполнялось на особо охраняемой природной территории (ООПТ) регионального значения «Осинская лесная дача». Территория расположена в южной части Пермского края, на левом берегу Воткинского водохранилища, в 100 км к юго-западу от г. Пермь. Рассматриваемая территория находится в пределах подтаежной зоны Русской равнины, относится к ландшафтной облас-

ти Высокого Заволжья. Общая площадь составляет 12168,0 га [1].

Территория является древними террасами р. Камы, которые четко прослеживаются при движении с запада на восток. В геоморфологическом отношении поверхность представляет собой плато размыва, максимальные высоты которого достигают 220-300м над уровнем моря. Основные формы рельефа представлены эрозионными образованиями: речные долины с комплексом аккумулятивных форм (поймы, террасы), овраги и балки. В прибрежной части Воткинского водохранилища представлены эоловые формы рельефа – дюны. Это уникальные природные образования четвертичного периода, сформированные на флювиогляциальных отложениях. Поверхность большинства из них залесена [1].

На большей части рассматриваемой территории расположены светлохвойные сосновые леса. По происхождению такие экосистемы являются либо квазикоренными сообществами, либо посадками разного возраста. На юге территории фрагментарно развиты темнохвойные сообщества, прежде всего еловые. В пределах вырубленных площадей развиты сукцессионные процессы, экосистемы представлены пустырями, лугами, мелколиственными и смешанными лесами. В западной части ООПТ, на низовых болотах произрастают березняки с примесью сосны [1].

В целом лесная растительность на территории «Осинской лесной дачи» представлена 26 типами леса, что является уникальным для такой небольшой местности [1].

На территории охраняемого ландшафта регионального значения «Осинская лесная дача» разрешена и ведется ограниченная хозяйственная деятельность. Основными источниками антропогенного воздействия на экосистемы ООПТ являются рекреация, охота, лесное хозяйство, разработка месторождения строительных песков.

Обработка и пространственный анализ ДДЗЗ выполнялись с применением программных продук- тов ENVI 4.7 (ITT) и ArcGIS 9.3 (ESRI). Дешифрирование космических снимков проводилось методом классификации с обучением способом спектрального угла (Spectral Angle Mapper Classification). Для более точного выделения классов рассчитывался нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI).

Анализ различий между разновременными изображениями выполнялся с помощью инструмента расчет карты различий (Compute Difference Map) для полутоновых изображений, а также путем сравнения классифицированных снимков.

В работе использовались следующие космические снимки:

  • 1.    Landsat 2 MSS, дата съемки – 4 июня 1975 года, разрешение – 60 м;

  • 2.    Landsat 4 TM, дата съемки – 7 августа 1988 года, разрешение – 30 м;

  • 3.    Landsat 5 TM, дата съемки – 2 июля 2010 года, разрешение – 30 м;

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На ООПТ «Осинская лесная дача» по результатам дешифрирования выделено 8 классов (рисунок 1): водные объекты, хвойные леса, смешенные леса, лиственные леса, лесные поляны и луга, заболоченные участки, свежие вырубки, антропогенные объекты (нарушенные земли, дороги, здания и т.п.).

Динамика изменения экосистем по классам представлена в табл. 1. В период с 1975 по 1988 гг. отмечено повышение площади хвойных лесов, лесных полян, заболоченных участков и антропогенных объектов, а также уменьшение площади смешенных и лиственных лесов, свежих вырубок. На изображении 1975 г. выделены большие площади вырубок на месте хвойных типов леса, но уже к 1988 г. на большинстве из них выявлено частичное восстановление лесной растительности. Причем на значительных площадях наблюдается становление молодых хвойных лесов, за счет, в основном, посадок сосны обыкновенной.

Рис. 1. Результаты дешифрирования космического снимка 2010 г.

В период с 1988 по 2010 гг. выявлено существенное повышение площади лиственных лесов, что связано с естественным зарастанием и изменением структуры смешанных и хвойных лесов. За рассматриваемый период не выделено крупных вырубок, что объясняется получением статуса ООПТ и соблюдением режима охраны.

Методом расчета карты различий выделено 5 классов, характеризующих изменения: значительное увеличение яркости (+ 50-100%), увеличение яркости (+ 10-50%), незначительные изменения (до 10%), уменьшение яркости (- 10-50%), значительное уменьшение яркости (- 50-100%).

Таблица 1. Динамика лесных экосистем по классифицированным изображениям

Класс

Название

1975 г.

1988 г.

2010 г.

Площадь, га

%

Площадь, га

%

Площадь, га

%

1

Водные объекты

3,2

0,0

1,3

0,0%

6,6

0,1

2

Хвойный лес

3704,3

29,9

5769,5

46,6%

5181,8

41,8

3

Смешанный лес

6112,5

49,3

4854,1

39,2%

4229,8

34,1

4

Лиственный лес

1184,8

9,6

921,2

7,4%

2610,3

21,1

5

Лесные поляны

288,5

2,3

392,5

3,2%

152,8

1,2

6

Заболоченные участки

6,5

0,1

54,6

0,4%

66,5

0,5

7

Свежие вырубки

1023,9

8,3

221,9

1,8%

0,0

0,0

8

Антропогенные объекты

66,3

0,5

174,9

1,4%

142,2

1,1

Параметр яркости конкретного пиксела космического снимка зависит от отражающей способности поверхности Земли. Так, наименьшие значения яркости характерны для водных объектов, хвойных лесов, а наибольшие – для зданий, асфальтированных дорог, обнаженных грунтов и т.д.

В рассматриваемые периоды на большей части ООПТ наблюдается увеличение отражающей способности поверхности (рис. 2, табл. 2), что в значительной степени связано с изменением структуры смешанных лесов. В первую очередь это увеличе- ние доли лиственных пород. Помимо этого, в западной части территории отмечается заболачивание, что также влияет на увеличение яркости изображения. На полученный результат исследования повлияло также использование в расчете космические снимки, выполненные с разных сенсоров с отличным пространственным разрешением. Однако это не могло сказаться на общую картину наблюдаемых явлений и процессов.

Незначительные изменения отмечены почти на 40% исследуемой территории. Уменьшение ярко- сти (включая значительное) выявлено на 10% ООПТ, что является весьма значительным и связано с восстановлением лесной растительности (в основном искусственным) на ранее вырубленных участках. Значительное увеличение яркости вызва- но со строительством дорог, развитием туристической инфраструктуры, а также заболачиванием северо-западной части Осинской лесной дачи.

Таблица 2. Изменение яркости разновременных изображений

Класс

Название

1975 - 1988 гг.

1988 - 2010 гг.

1975 - 2010 гг.

Площадь, га

%

Площадь, га

%

Площадь, га

%

1

Значительное увеличение яркости

63,0

0,5%

1560,0

12,6%

568,6

4,6%

2

Увеличение яркости

177,6

1,4%

8589,0

69,3%

5742,8

46,4%

3

Незначительные изменения

7019,9

56,7%

2088,1

16,9%

4868,7

39,3%

4

Уменьшение яркости

4191,0

33,8%

101,3

0,8%

856,5

6,9%

5

Значительное уменьшение яркости

938,5

7,6%

51,5

0,4%

353,4

2,9%

Рис. 2. Карта различий изображений 1975 и 2010 гг.

По построенной карте различий изображений выделены участки, на которых зарегистрированы значительные изменения в отражающей способности поверхности. Для каждого участка определены пространственные и временные характеристики, а также описан характер изменений и возможные причины возникновения наблюдаемых явлений и процессов.

По итогам проведенного анализа на ООПТ «Осинская лесная дача» с 1975 по 2010 гг. отмечены значительные изменения структуры ландшафта. По результатам исследования выявлены антропогенно нарушенные участки, которые имеют про- странственно-временные характеристики. Помимо этого, на ООПТ выявлены участки, на которых наблюдаются признаки восстановления.

Основные изменения за рассматриваемый период произошли по причине антропогенного воздействия: рубки леса, строительство дорог, развитие туристической инфраструктуры, заболачивание и других.

Выполненные исследования позволили качественно и количественно оценить динамику лесных экосистем на особо охраняемой природной территории, которая испытывает антропогенную нагрузку. Такую оценку необходимо выполнять и на других подобных ООПТ. Выбранные методы позволили быстро, достаточно достоверно и с минимальными затратами выполнить поставленные цели и задачи исследования.

Список литературы Исследование динамики экосистем на особо охраняемой природной территории «Осинская лесная дача»

  • Бузмаков С.А., Гатина Е.Л. Зонирование особо охраняемой природной территории «Осинская лесная дача»//Географический вестник. 2009, № 1. С. 51-55.
  • Розенберг Г.С., Саксонов С.В., Кузнецова Р.С., Сенатор С.А. Космический мониторинг в ландшафтно-экологических исследованиях//Изв. Самар. НЦ РАН 2012. Том 14 № 1. С. 9-14.
  • Шуваев Н.С., Бармин А.Н., Колчин Е.А. Использование материалов дистанционного зондирования земли и географических информационных систем при исследовании русловых деформаций//Геология, география и глобальная энергия. 2010, № 4. С. 119-122.
Статья научная