Cтатьи и комментарии

Геоматика, № 4'2011

Применение ГИС для изучения пространственной структуры древостоев

А.Ф. Дудко (ГП "Семеновское лесное хозяйство" Черниговского областного управления лесного и охотничьего хозяйства, Украина)
В 2007 г. окончил лесохозяйственный факультет Национального университета биоресурсов и природопользования Украины (Киев) по специальности "магистр лесного хозяйства". С 2006 г. работает в ГП "Семеновское лесное хозяйство" Черниговского областного управления лесного и охотничьего хозяйства, в настоящее время — лесничий.

С.В. Зибцев (Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, Киев)
В 1984 г. окончил лесохозяйственный факультет Украинской сельскохозяйственной академии (Киев) по специальности "инженер лесного хозяйства". С 1989 г. работал на "Киевской лесной опытной станции". С 2000 г. работает в Институте лесного и садово*паркового хозяйства Национального университета биоресурсов и природопользования Украины, в настоящее время — доцент. Кандидат технических наук.

В.А. Слободян (Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", Харьков, Украина)
В 2005 г. окончила факультет радиотехнических систем летательных аппаратов Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского "ХАИ" по специальности "биотехнические и медицинские аппараты и системы". После окончания университета работает в Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского "ХАИ", в настоящее время — ассистент. С 2008 г. работает в ООО "ГИСИНФО" (Харьков, Украина), в настоящее время — инженер-фотограмметрист. Кандидат технических наук.
http://www.geoprofi.ru/news11/News_5499_74.aspx

Преобладание сплошной вырубки на участках лесных угодий, отведенных для главных рубок, приводит к постоянному уменьшению площади сосновых лесов естественного происхождения, которые постепенно замещаются лесными культурами. Такая тенденция в перспективе может привести к полному исчезновению лесов естественного происхождения, если не будут приняты управленческие решения по их сохранению. Сосновые насаждения естественного происхождения являются важным источником генофонда сосны обыкновенной, видового биоразнообразия, уникальными образцами природной структуры экосистемы. Окончательно не выяснено, насколько сосновые насаждения искусственного происхождения, которые фактически являются полуприродными лесами, сохраняют черты природных лесов по параметрам пространственной структуры. Сосновые насаждения естественного происхождения являются довольно измененными вследствие антропогенного воздействия. Поэтому исследование данного вопроса чрезвычайно актуально.

Новгород-Северское Полесье выделено в отдельную физико-географическую область в связи с различием геологического и геоморфологического строения этого региона. Сюда входят территории Семеновского, Новгород-Северского, частично Корюковского, Сосницкого, Коропского районов Черниговской области и Середино-Будского, Шосткинского, Ямпольского,частично Кролевецкого районов Сумской области. В лесном фонде по происхождению безусловно преобладают лесные культуры, которые занимают вдвое большую площадь (68%), чем насаждения естественного происхождения (32%). Среди природных насаждений сосновые занимают несколько меньше половины (47,3%), а остальные — представлены березовыми (24,2%), дубовыми (12,8%), ольховыми (5,6%), осиновыми (5,1%) и другими насаждениями различных пород (5,0%).

Методика работы

В качестве исходных данных для исследований использовались векторные карты в формате SHP и таблицы в формате XLS. Векторные карты включали следующие слои: центральные точки стволов, диаметры стволов, кроны деревьев и др. Таблицы содержали данные о деревьях: площадь проекции кроны, диаметр ствола на высоте груди, высота, вид (сосна, береза и т. д.), категория (живое или мертвое) и др.

Для проведения пространственного анализа имеющихся данных с помощью современных геоинформационных технологий было принято решение использовать ГИС "Карта 2011". При импорте исходных векторных карт во внутренний формат SIT ГИС "Карта 2011" задавались следующие параметры: тип исходной векторной карты, классификатор, файл настроек и масштаб создаваемой карты. В результате импорта в ГИС "Карта 2011" автоматически создавалась карта.
С целью генерализации данных в программе был создан проект баз данных, куда импортировалась информация, содержащаяся в таблицах в формате XLS. Средствами ГИС "Карта 2011" выполнялась автоматическая привязка объектов на карте к соответствующим строкам таблицы созданной базы данных (рис. 1).

Рис. 1 Таблица базы данных с лесоводственно-таксационными показателями насаждения на пробной площади в проекте ГИС "Карта 2011"

При изучении сложных по структуре лесных насаждений необходимо разделить информацию о составе пород и биометрические показатели отдельных ярусов. Старовозрастные сосновые насаждения природного происхождения в регионе Новгород-Северского Полесья Украины обычно состоят из нескольких ярусов. Первый ярус формируется эдификаторами (от лат. aedificator — строитель, группа видов растений в фитоценозе, которая определяет его структуру и в известной мере состав. — Прим. ред.) — преимущественно сосной с примесью березы. Второй ярус — дубом семенного или порослевого происхождения с примесью липы, клена или других пород, не достигающих оптимальной продуктивности в условиях свежей субори (условия произрастания леса (почва), которые характеризуются оптимальным для сосны плодородием). При определенных условиях в насаждениях может сформироваться также хорошо развитый подлесок из лещины. Образование травянистого надпочвенного покрова будет зависеть от светового режима под пологом и пространственного характера сомкнутости первого и второго ярусов.

На исходной карте изображены деревья первого и второго ярусов. Так как кроны деревьев второго яруса развиты слабо, то отображение на карте горизонтальных проекций крон выполнялось только для деревьев первого яруса. На рис. 2 приведен фрагмент такой карты на примере Блешнянского лесничества Семеновского лесного хозяйства, квартал 102, выдел 2.

Рис. 2 Карта старовозрастного насаждения сосны обыкновенной с нанесением координат деревьев, горизонтальной проекции крон, подлеска и сухостоя в ГИС "Карта 2011"

Целью работы являлось выделение биогрупп деревьев по заданным характеристикам в автоматическом режиме. Пространственный анализ средствами ГИС "Карта 2011" был проведен в двух вариантах:

1) для всех деревьев, отображаемых на карте;

2) только для деревьев первого яруса, т. е. для тех, у которых крона наиболее выражена (размеры этих крон показаны на карте).

Пространственный анализ взаимного расположения всех деревьев, отображаемых на карте

Для построения поверхности плотности распределения количества деревьев на единицу площади необходимо задать следующие характеристики: вид поверхности плотности, идентификационные параметры экспериментального участка, размер элемента и единицу площади, по которой будут проводиться расчеты. В зависимости от типа расчета можно построить поверхность плотности по площади, длине, характеристике объектов и их количеству. В нашем случае исследовалась плотность распределения деревьев на территории, поэтому были построены поверхности плотности для нескольких единиц площади: 4 м2, 9 м2, 16 м2, 25 м2. Первичный анализ полученных результатов показал целесообразность детальных исследований поверхности плотности, построенной по единице площади в 16 м2.

На рис. 3 изображены результаты построения поверхности плотности деревьев по их количеству на единице площади в 16 м2: картограмма распределения плотности деревьев по территории и статистика построенной поверхности. На гистограмме (рис. 3б) видно, что больше всего имеется участков с невысокой плотностью деревьев, однако есть участки, где на 16 м2 приходится до 87 деревьев.

Рис. 3 Результаты построения поверхности плотности деревьев по их количеству на единице площади в 16 м2: а) картограмма распределения плотности деревьев по территории; б) статистика построенной поверхности

Первичный анализ поверхности плотности показывает, что при заданных параметрах сложно разделить все деревья на группы. Необходимо провести дополнительные исследования с целью определения разделяющего условия. Поэтому следующим этапом пространственного анализа является построение изолиний поверхности плотности. При выполнении этой операции в ГИС "Карта 2011" задаются следующие параметры: вид создаваемых объектов (изолиний), шаг построения изолинии, минимальная длина, минимальное и максимальное значение изолинии, а также условие формирования утолщенных изолиний.

Построение изолиний позволяет представить поверхность плотности деревьев в векторном формате. Замкнутый контур изолинии ограничивает территорию с заданной плотностью деревьев (рис. 4). Таким образом, происходит "векторизация" контура групп деревьев с одинаковой плотностью распределения. На исследуемом участке лесного массива наибольшая плотность деревьев наблюдается в верхнем левом углу территории. По полученным данным можно сделать вывод, что наиболее густорастущая группа деревьев первого и второго ярусов составляет 52 дерева на 16 м2 и занимает территорию площадью 341,85 м2. В нижней части территории наблюдаются еще две группы деревьев с высокой плотностью:
36 деревьев на 16 м2 (рис. 5).

Рис. 4 Выделение группы насаждений с плотностью 52 дерева на 16 м2 замкнутым контуром изолинии

Рис. 5 Выделение группы насаждений с плотностью 36 деревьев на 16 м2 замкнутым контуром изолинии

Для наглядности визуальной оценки результатов пространственного анализа слой изолиний был совмещен с исходной картой расположения деревьев (рис. 6). Красным цветом обозначены контуры трех выделенных групп деревьев. Как видно из рис. 6, эти участки действительно отличаются более высокой густотой насаждений. Таким образом, при заданных условиях на анализируемой территории выделяется три группы деревьев, которые территориально имеют одинаковую плотность насаждений.

Рис. 6 Синтез двух слоев карты

Одним из этапов пространственного анализа выделенных групп деревьев является поиск дерева с максимальным диаметром ствола. Средства ГИС "Карта 2011" позволяют обнаружить нужный объект в автоматическом режиме и обозначить его на карте по заданному критерию.

Пространственный анализ деревьев первого яруса

Метод, описанный выше, был использован при построении поверхностей плотности деревьев по их количеству на единицу площади только для деревьев первого яруса. Исследовались следующие единицы площади: 4 м2, 9 м2, 16 м2,25 м2.

В результате обработки полученных результатов было принято решение более детально исследовать поверхность плотности, построенную для единицы площади, равной 16 м2 (рис. 7).

Рис. 7 Поверхность плотности деревьев первого яруса по их количеству на 16 м2: а) картограмма распределения плотности деревьев по территории;б) статистика построенной поверхности

Гистограмма, представленная на рис. 7а, имеет бимодальный характер, что может быть признаком разделения деревьев на группы. Визуально граница раздела двух мод гистограммы находится в пределах 14–16 деревьев для единицы площади 16 м2. Для дальнейшего исследования были построены изолинии по границе, равной 15 деревьев для единицы площади 16 м2. При этом выделяются 3 группы деревьев с граничной плотностью распределения. Для более наглядного представления результатов выделения этих групп деревьев слой с исходной картой расположения деревьев был совмещен со слоем изолиний (рис. 8).

Рис. 8 Совмещение слоя с исходной картой расположения деревьев со слоем изолиний

При сравнении полученной поверхности плотности, построенной только для деревьев первого яруса, и поверхности плотности, полученной для всех деревьев (и первого, и второго яруса), наблюдались различия в распределении плотности деревьев. Таким образом, можно сделать вывод, что деревья разных ярусов составляют разные группы, что говорит о неравномерном распределении насаждений всех ярусов.

Полученные результаты могут быть использованы для дальнейших исследований. На наш взгляд, необходимо проанализировать следующие возможности пространственного анализа с помощью ГИС "Карта 2011":

— построение зон соответствия по условиям (исследования проводятся по созданной поверхности плотности);
— пересечение объектов (могут быть исследованы пересечения площадей крон с выделенными группами деревьев для уточнения контура группы);
— создание объектов-пустот (исследования площадей крон);
— статистические функции, описывающие распределение деревьев;
— построение зоны вокруг объекта и др.

RESUME
Results of spatial analysis of the pine stands, carried out by means of the GIS "Karta 2011" are given. Possibilities, procedures and results of constructing the surface density of trees in the form of contour maps, or cartograms are considered.