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.