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.
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.