Оценка динамики распространения инвазий по результатам геоинформационного ретроспективного анализа

Для исследований уникальной в своем роде территории Волго-Ахтубинской поймы одним из передовых методов, представляющим собой систему оперативного сбора и анализа разновременных данных, является геоинформационные системы исследований, основанные на данных дистанционного зондирования Земли. Они предоставляют комплексный подход к оперативной оценке состояния и динамики распространения инвазивной растительности на территории природного парка [3, 4, 5]. В сравнении с наземными обследованиями лесных насаждений, которые требуют значительных затрат человеко-часов и к тому же не носят регулярного характера, проведение фотоэталонирования и компьютерного картографирования инвазивной растительности с целью оценки динамики их распространения по данным космических снимков “Sentinel-2” является наиболее актуальным и современным решением. Фотоэталонирование инвазивной растительности выполняется как в полевых условиях при эталонировании насаждений, так и в камеральных, по космоснимкам с размером пикселя на местности до 3 м. Одним из наиболее оправданных способов фотоэталонирования является способ, связанный с естественными изменениями, происходящими с растением, а именно с фенологической фазой. Для применения фенологических изменений для индикации лиственных пород необходимы разновременные аэро- и космические снимки, на которых растения представлены в фазе окрашивания и опадания листвы. Окрашивание листвы на осенних снимках является определяющим признаком для дешифрования и индикации инвазивной растительности [6].

Оценка распространения инвазивной растительность на территории Волго-Ахтубинской поймы в настоящий момент наиболее актуальна, т. к. подобные исследования не проводилось вообще, а инвентаризация лесных насаждений в пойме не проводилась с 1975 г. Космоснимки, предоставленные системой “Sentinel-2”, в настоящее время позволяют осуществлять непрерывное наблюдение за лесными насаждениями благодаря возможности получать данные ДЗЗ с периодичностью в 2–3 дня (для средних широт). “Sentinel-2” обладает захватом полосы шириной 290 км в 13 спектральных каналах, из которых 4 канала имеют разрешающую способность 0 м, 6 каналов – разрешение 20 метров, а остальные каналы обладают разрешающей способностью в 60 м. Системы получения данных ДЗЗ, такие как, например “Landsat-7”, обеспечивающий шестнадцатидневное время повторной съемки, значительно уступают “Sentinel-2”.

Комплексный анализ космоснимков, с целью оценки динамики распространения инвазивной растительности, проводится с использованием гистограмм, позволяющих выявлять статистические характеристики как по количественному, так и по качественному распределению пикселей на фотоизображении [7]. Для получения данных об изменении площадей, занимаемых инвазивной растительностью, необходимо проводить ретроспективный анализ на основе сравнения данных современных космоснимков и снимков архивного периода картографирования, с применением тщательного сопоставления изменений, произошедших на объектах исследований в определенный временной промежуток [6]. Ретроспективный анализ – это математическая обработка и анализ геокодированной и атрибутивной информации, полученной в результате проведения дешифровочных работ по аэро- и космоснимкам за определенный интервал времени. Накопленный архив данных дистанционного зондирования Земли делает возможным оценку изменения распространения инвазивных видов, которые могут занимать значительные временные периоды [6, 8]. Аэро- и космоснимки являются своеобразным «слепком» и содержат актуальные данные о месте, характере и времени произошедших изменений.

Ретроспективный анализ территории Волго-Ахтубинской поймы позволяет реконструировать ход процессов изменения площадей распространения инвазивных видов, определить наиболее удобные для произрастания инвазий территории, выдвинуть предположения о возможных путях распространения растений «трансформеров» [2].

Результаты и обсуждение.

Для изучения динамики распространения такого инвазивного вида, как ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) были выбраны три ключевых участка: «Госпитомник Лещев-ский» (N48°32’23»; E44°53’03») (1), «Новенький» (N48°42’33»; E44°46’15») (2) и «Долгий» (N48°31’37»; E45°08’02») (3) (см. рис. 1 на с. 15).

Рис. 1. Схема расположения ключевых участков

Ключевые участки были определены в результате наземных исследований, при проведении работ по фотоэталонированию инвазивной растительности было проведено геокодирование при помощи GPS-приемника, а полученные данные сформированы в shape-файл (*.shp). (см. рис. 2).

Рис. 2. Схема распределения точек фотоэталонирования ясеня пенсильванского

Применение фенологической индикации для дешифрирования и выделения ареала ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) значительно облегчило задачу, т. к. фенологическая фаза осеннего окрашивания листьев у инвазивного вида началась раньше, чем у древесных пород других видов. Наглядно в этом можно убедиться на рис. 3, достаточно отчетливо проявляется разница в тоне пикселей крон дуба (Quercus robur L.) и ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.).

Рис. 3. Фенологическая индикация: дуб черешчатый (1), ясень пенсильванский (2)

В результате гистограммного анализа распределения пикселей для ясеня пенсильванского установлено среднее значение тона 121 единиц, стандартное отклонение – 38, для дуба черешчатого среднее значение тона – 44 единицы, стандартное отклонение – 23. Из приведённых выше данных следует, что гистограммный анализ делает возможным разделение группы пикселей на снимке по тону, расчёт площади, занимаемые инвазивными видами, а также дает возможность экстраполировать полученные результаты на территории аналоги.

В результате проведения работ по фотоэталонированию и дешифрированию был разработан ГИС-слой ареала ясеня пенсильванского (Fraxinus pennsylvanica Mash.) на трех ключевых участках.

Обработка результатов исследования показала, что на территории ключевого участка «Госпитом-ник Лещевский» (N48°32’23»; E44°53’03»), площадью 5835,2 га, наблюдается значительное увеличение площади занимаемой инвазивной растительностью. Так, с 2011 по 2017 г. произошло увеличение площади инвазий с 640 га до 1046 га (см. рис. 4 на с. 17).

Подобная ситуация наблюдается и в двух остальных ключевых участках. На ключевом участке «Новенький» (N48°42’33»; E44°46’15»), площадью 3800 га, с 2009 по 2019 г. произошло увеличение ареала ясеня пенсильванского с 588 га до 775 га (см. рис. 5 на с. 17).

Рис. 4. Ретроспективный анализ ключевого участка «Госпитомник Лещевский» (N48°32’23»; E44°53’03»)

Рис. 5. Ретроспективный анализ ключевого участка «Новенький» (N48°42’33»; E44°46’15»)

На ключевом участке «Долгий» (N48°31’37»; E45°08’02»), площадью 2511 га, с 2014 по 2018 г. произошло увеличение ареала ясеня пенсильванского с 254 га до 446 га (см. рис. 6).

Рис. 6. Ретроспективный анализ ключевого участка «Долгий» (N48°31’37»; E45°08’02»)

Заключение. В целом, по данным ретроспективного анализа данных дистанционного зондирования земли, можно сделать вывод о том, что на ключевых участках, как и на всей территории Волго-Ахтубинской поймы происходит активное распространение инвазивных видов. Отмечено внедрение ясеня в прибрежные ивняки (Salix alba), осокорники (Populus nigra), дубравы на относительно низких высотных отметках, сырые осоковые луга (Сarex acuta), кострецовые (Bromopsis inermis) луга среднего уровня и другие пойменные сообщества по всей территории Волго-Ахтубинской поймы. В наибольшей степени подвержены инвазии прибрежные сообщества водотоков поймы и дельты (ерики, протоки). Здесь в некоторых местах сложились практически чистые заросли ясеня. По масштабам и быстроте расширения инвазии этот вид сейчас, очевидно, преобладает над всеми остальными чужеродными видами. Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что применение ретроспективного анализа данных актуальных и архивных космоснимков делает возможным быстрое получение информации о распространении инвазивной растительности.