Космонавтика

Из космоса леса видны лучше

На территории России сосредоточена четверть лесов планеты, чьи биосферные функции во многом обусловливают качество жизни на Земле. Настолько же огромны и отечественные запасы древесины.

Эти богатства при рациональном использовании могут стать надежной основой экономического могущества нашей страны. Но чтобы добиться достойного уровня управления лесным хозяйством, необходимо прежде всего обладать объективной информацией о его состоянии, происходящих в нем позитивных и негативных процессах и умело прогнозировать будущее.

С помощью наземных исследований и применяемой с 1920-х годов аэрофотосъемки решить обозначенную задачу уже невозможно. На смену традиционным подходам пришли технологии, связанные с использованием космической техники.

Качественная информация - условие успеха

Широкомасштабные работы по изучению природных ресурсов Земли из космоса были развернуты в 1972 г. в СССР*. В 1970 - 1980-х годах специалисты научно-исследовательского подразделения Всесоюзного объединения "Леспроект" (Москва), Ленинградского научно-исследовательского института лесного хозяйства и Института леса и древесины им. В. Н. Сукачева Сибирского отделения АН провели разносторонние теоретические и прикладные исследования леса как объекта дистанционного зондирования. Они разработали методы дешифрирования материалов космических съемок, в том числе автоматизированных в географической информационной системе, и обосновали требования к средствам и условиям съемки в зависимости от поставленных задач. Тогда же стала ясна роль этих наблюдений в действующей и перспективной системе мониторинга. Ученые (в их числе и авторы статьи) усовершенствовали старые и предложили более эффективные технологии инвентаризации лесов и оценки их состояния на основе сведений, полученных искусственными спутниками Земли первого поколения ("Метеор-Природа", "Космос", "Landsat" и др.).

На практике их стали внедрять с 1978 г. За прошедший 28-летний период изучено и закартографировано на новом качественном уровне свыше 400 млн. га земель лесного фонда северо-восточных регионов России, Средней Азии, Казахстана. Составлена серия мелкомасштабных карт, одна из них - "Леса Монгольской Народной Республики" в масштабе 1:1000000 (1980 г.). Новые технологии, базирующиеся на дешифрировании космических снимков, позволяют проводить оперативный и объективный учет текущих природных и антропогенных изменений в лесном фонде и прогнозировать их возможные последствия. Это подтвердили работы по выявлению гарей, вырубок, повреждений насекомыми-вредителями, ураганными ветрами и другими воздействиями, проведенные в 1980-х годах и охватившие свыше 600 млн. га земель в таежной зоне нашей страны. С помощью новейших методов специалисты оценивают скорость восстановления древесной растительности.

Информация, поставляемая спутниками, стала играть значительную роль в деле охраны "зеленых легких" Земли: ведь бороться с лесным пожаром легче, зная его координаты, метеорологические параметры, имея оперативные данные о направлении и скорости распространения огня. По материалам космических съемок отечественные специалисты выполнили для лесозаготовительных предприятий Северного экономического района Европейской России подробную инвентаризацию сырьевых ресурсов. Стало легче контролировать и порядок их использования.

Однако после 1991 г. столь успешно начатые во многих организациях страны исследования практически остановились. Только в нашем Центре, Международном институте леса и Институте леса им. В. Н. Сукачева этой темой продолжали заниматься и даже дали ей новый импульс.

Крупномасштабный цветной спектрозональный аэрофотоснимок (разрешение около 10 см) с изображением подроста разной высоты: 1 -березы до 1,5 м, 2 - березы больше 1,5 м, 3-ели до 1,5 м, 4 - ели больше 1,5 м. Видны лежащие деревья.iz-kosmosa-lesa-vidny-luchshe
Фрагмент космического снимка (разрешение 8 м), полученного с российского ИСЗ серии "Космос" Вырубки с различным состоянием лесовозобновления: I
- невозобновившиеся, II - молодняки хвойных пород, III - молодняки лиственных пород, IV - участки спелого хвойного леса, V - участки спелого лиственного леса.

Последние 10 - 15 лет техника съемки земной поверхности из космоса и методы обработки получаемой таким образом информации стремительно развивались. Широкое применение в науке и практике многих государств нашли географические информационные технологии и средства геопозиционирования. А сделанные со спутников многоспектральные снимки с пространственным разрешением до 1м, сопоставимые по информативности с крупномасштабной аэрофотосъемкой, стали использовать в гражданских целях.

Сегодня мы хорошо представляем возможности дешифрирования различных космических снимков - фотографических с разрешением от 1 до 20 м (КФА-1000, МК-4 и др.) и сканерных с разрешением от 1 до 1000м(Quik Bird, IKONOS, IRS, Монитор-Э, SPOT, Landsat, МСУ-СК, MODIS и др.). Получили развитие и методы их обработки для различных задач лесного хозяйства. Так, важным и многообещающим направлением стал мониторинг состояния и динамики лесов, качество которого благодаря средствам дистанционного зондирования последнего поколения существенно повысилось. В настоящей статье мы расскажем о новых научных разработках, позволяющих более тщательно следить за использованием леса и его восстановлением.

Новый "ключ" к старым проблемам

В России рубки, ведущиеся сплошным способом, издавна были основным фактором трансформации лесного покрова: за последние 150 лет они проведены на территории более 150 млн. га. В 1970 - 1980-е ежегодно сводили до 2 млн. га лесов, достигших возраста спелости (в настоящее время - около 1 млн).

Действующий Лесной кодекс РФ разрешает рубить в промышленных масштабах только в тех районах, где это оправдано с экологических и экономических позиций, - их общая площадь около 330 млн. га. Прочие территории, площадью 403 млн. га, такому воздействию не подлежат, являясь особо охраняемыми, либо труднодоступными, резервными с низкой продуктивностью.

Рубка - отнюдь не стихийное явление, ее масштабы и размещение планируют. Обычно каждый год в тайге возникают лишенные деревьев участки, различающиеся по площади (от 0,1 - 0,5 до 50 - 100 га), конфигурации и определенным образом локализованные внутри производственных хозяйственных структур. По действующим нормам они должны быть рассредоточены равномерно, что минимизирует негативное влияние на экологические и ресурсные функции лесов. Однако на практике из-за отсутствия развитой дорожной сети и стремления предпринимателей снизить свои затраты основные объемы сплошных рубок сконцентрированы вблизи подъездных путей.

Интенсивные заготовки древесины в нашей стране ведут в Европейско-Уральской части страны, а также в южных районах Сибири и Дальнего Востока, тяготеющих к Транссибирской железнодорожной магистрали. Так, в последние 60 лет вырубки производились на 60% лесопокрытых земель Чувашии, 58 - Удмуртии, 57 - Татарстана, 54 - Кировской области и Пермского края, 50 - Мордовии и Костромской области, 48 - Свердловской области, 46 - Вологодской и на 41% таких земель Владимирской области. Причем нередко эти работы ведут со значительными нарушениями установленных требований. Например, начинают их, не дожидаясь возобновления растительности на примыкающей вырубке, или не заботятся о том, чтобы направление лесосеки совпадало с господствующими в районе ветрами (последнее способствует распространению семян). Иногда менее ценные с точки зрения предпринимателей породы деревьев остаются нетронутыми - появляются так называемые недорубы**, менее устойчивые во время ураганов в силу расположения на оголенном пространстве. А ведь множество вывернутых с корнем стволов - благоприятная среда для насекомых-вредителей. Следует упомянуть и случаи, когда деятельность заготовителей распространяется за пределы отведенных лесосек (завизирные рубки).

В итоге на обширных разновозрастных вырубках, возникших на месте устойчивых и зрелых лесов, постепенно формируются вторичные, менее ценные во всех отношениях. Кроме того, восстановление древесной растительности происходит постепенно, так что, скажем, к началу 2003 г. ее были лишены участки вырубок общей площадью 3427,8 тыс. га.

Становится очевидным: возможность контролировать все стадии лесопользования, выявлять свежие вырубки, оценивать соответствие их расположения и размеров документам отвода лесосек и запланированным показателям ныне исключительно важна для нашего хозяйства. И ученые должны предложить соответствующую систему мониторинга на основе материалов аэрокосмических съемок и геоинформационных технологий. Только такой подход позволит охватить наблюдениями огромные, подчас крайне труднодоступные регионы.

Лесопользование "в объективе" космического спутника

Специалисты нашего Центра провели цикл исследований на тестовых участках, расположенных в различных регионах России. В полевых условиях мы проверили и уточнили границы и размеры вырубок, годы проведения работ, какие породы деревьев изымали, степень зарастания лесосек, наличие недорубов или завизирных рубок, подроста, а также определили экспозицию и крутизну склонов, другие параметры.

На космическом снимке изображение вырубки отличается от большинства других лесных объектов значительно большей яркостью и особой текстурой. Если он имеет разрешение не хуже 3 м, то, как правило, хорошо заметны трелевочные коридоры*** со следами продвижения техники, куртины взрослых деревьев (семенников) и подроста, недорубы, места завизирных рубок, сложенные штабелями бревна и другие характерные черты.

На снимках более низкого разрешения описанная текстура менее выразительна в силу генерализации информации. Из дешифровочных признаков на первое место выходит форма изображения вырубок, поскольку их границы довольно четкие, а контуры имеют преимущественно геометрическую форму - все вместе способствует уверенному опознаванию названных объектов. На цветных многозональных снимках наблюдается резкий контраст между "оголенными" участками и стеной окружающего их леса, поэтому в данном случае характерные особенности их внутренней структуры отображены надежнее.

В результате мы установили: для эффективной оценки порядка лесопользования необходимо применять материалы космических и аэросъемок различного пространственного, спектрального и временного разрешения. Причем, если сделанные со спутника снимки требуемого технологического качества отсутствуют, то вместо них можно применять аэрофотоснимки, выполненные в мелком или среднем масштабе.

В 2005 г. в нашем Центре были разработаны методические рекомендации к дистанционному мониторингу организации и состояния лесопользования, предусматривающие комплексное применение материалов космических съемок, компьютерных таксационных и картографических баз данных, планов рубок и некоторых других сведений.

В частности, мы предложили на основании космических снимков с разрешением 20 - 50 (100 - 250) м выявлять в тайге территории, охваченные сплошными рубками, определять суммарную площадь последних в заданные периоды времени (с учетом интервалов проведения космических съемок) и давать обобщенную оценку порядка использования ресурсов. Таким образом предполагается оценивать, насколько равномерно осваиваются участки лесного фонда, соответствуют ли места работ утвержденным планам, нет ли произвольно выбранных делянок. Особое внимание мы обращаем на категории лесов: ведь в некоторых из них сплошные вырубки вообще запрещены.

При мониторинге на основе дешифрирования космических снимков с пространственным разрешением не хуже 3 - 10 м или мелко- и среднемасштабных аэроснимков с разрешением 3 - 5 м могут быть решены две группы задач. Во-первых, мы рекомендуем выявить вырубки (в том числе выполненные без разрешительных документов и методом сплошной лесосеки на площади 0,1 га и более) и определить их местоположение, площади, объем заготовленной древесины. Кроме того, необходимо установить, нарушены ли при проведении работ действующие правила и нормативы.

В случаях, когда требуются дополнительные детальные данные, не обеспечиваемые материалами космической, а также мелко- и среднемасштабной аэрофотосъемки, мы рекомендуем привлечь сделанные с самолета сверхкрупномасштабные (разрешение не хуже 10 см) и крупномасштабные (разрешение не хуже 0,5 м) снимки. С их помощью можно, например, оценить состояние вырубок по завершении работ, уточнить, совпадают ли контуры и площадь "оголенных" участков с запланированными параметрами, соответствует ли фактическая схема разработки лесосек технологическим картам и планам. Кроме того, определяют их площадь, состав и запас древесины. Существует множество других деталей, интересующих специалистов: сохранились ли семенные деревья и подрост хозяйственно ценных пород, есть ли заготовленная, но не вывезенная древесина, в каком количестве и где оставлена. Наконец, оценивают качество очистки лесосек и степень нарушенности почвенного покрова (последнее связано с риском развития эрозионных процессов).

Методика данных исследований включает измерительное, аналитическое, интерактивное или автоматизированное дешифрирование космических снимков в камеральных условиях с использованием геоинформационных технологий и последующую выборочную проверку результатов либо в полевых условиях, либо путем сопоставления с материалами крупномасштабной аэрофотосъемки и лесоустройства.

И несколько слов о точности определения характеристик объектов, запечатленных на снимках. Площадь отдельно взятой вырубки или недоруба можно установить с ошибкой не более ±15%. По крупным аэрофотоснимкам объем оставленной на лесосеках древесины можно оценить с погрешностью ±15%, а площади вырубок, компактных недорубов и завизирных рубок, участков с уничтоженным подростом и неудовлетворительно очищенных от остатков древесины - с точностью ±5% при достоверности 0,68.

В 2005 г. организации Федерального агентства лесного хозяйства, воспользовавшись нашими рекомендациями, провели дистанционный мониторинг порядка лесопользования на площади 53 млн. га и были удовлетворены точностью полученных результатов. Размер штрафов, наложенных на заготовителей, тогда составил 0,9 млрд. руб. В 2006 г. контролировали уже 100 млн. га, а в 2007 г. планируют охватить 200 млн. га, что соответствует суммарной площади основных отечественных районов промышленных заготовок древесины.

Деревья подрастают под присмотром

Излишне говорить о том, что восстановление леса на вырубках, гарях и других землях, в том числе не относящихся к лесному фонду, должно быть своевременным и качественным. Но как проследить за этим в труднодоступных таежных районах? Тут вновь поможет мониторинг. Методология его проведения связана с дешифрированием многозональных разновременных (в том числе и зимних) космических снимков разного пространственного разрешения, а также материалов крупномасштабной аэрофотосъемки.

На первом этапе работы мы привлекаем материалы инвентаризации и в среде геоинформационной системы, определяем, к коренным или производным типам леса приурочены различные фрагменты бывших вырубок и гарей. Затем выделяем совокупности однородных участков (так называемые страты) со сходным характером процессов естественного восстановления древесной растительности. Далее посредством дешифрирования многоспектральных космических снимков с пространственным разрешением 1 - 10 м подразделяем эти страты на классы: свежие вырубки или гари, места с лиственным, смешанным хвойно-лиственным, лиственно-хвойным или хвойным возобновлением. Аналогично классифицируем и заросшие участки, где лес был сведен или погиб 10 - 20 лет назад.

Затем, анализируя аэрокосмические снимки, выборочно оцениваем, успешно ли проходит естественное и искусственное возобновление леса на вырубках (гарях): выявляем подрост с участием хвойных пород под пологом лиственных древостоев. Определение не покрытых лесом земель и классификацию цветных (многоспектральных) аэрокосмических изображений осуществляем, сочетая автоматический и интерактивный методы дешифрирования с использованием спектральных и текстурных признаков при максимально возможном увеличении изображения на экране компьютера.

Определяя на бывших вырубках (гарях) и под пологом лиственных, хвойно-лиственных или лиственно-хвойных молодняков количество среднего (высотой 0,6 - 1,5 м) и крупного (более 1,5 м) хвойного подроста в насаждении до и после сведения леса, используем показатель частоты его встречаемости. Последний равен отношению числа статистически размещенных в пределах вырубки (гари) площадок с хотя бы одним жизнеспособным экземпляром подрастающего деревца к общему числу учетных площадок и выражается в процентах или долях единицы.

Хвойный подрост под пологом лиственных пород определяют по материалам аэрофотосъемки, полученным в безлистный период. С этой целью на стереопарах крупномасштабных снимков (1:1000) или мониторе компьютера выделяют пробные площади - один-два прямоугольных участка размером 20x60 или 30x60 м. И на них размечают сеть элементарных площадок размером 2x2 м численностью 300 - 450 штук.

Для непосредственного подсчета оставленного на свежих вырубках среднего и крупного хвойного подроста мы рекомендуем использовать зимние космические снимки (в том числе панхроматические) с пространственным разрешением не хуже 1 м или материалы крупномасштабной аэросъемки с разрешением 0,1 м.

iz-kosmosa-lesa-vidny-luchshe
Изображение вырубки (Архангельская область) на аэрофотоснимке: на участке 1 работы были разрешены и завершились, на участке 3 разрешены, но не проводились, на участке 2 проведены без разрешения (незаконная рубка).

Рассмотренную выше методологию оценки лесовосстановления на вырубках и гарях целесообразно применять в регионах, где ведут заготовку древесины. Ну а чтобы оценить, как происходит зарастание этих участков в обширной зоне резервных таежных лесов северо-восточных районов страны, следует воспользоваться спектральными особенностями космических изображений с пространственным разрешением 1 - 10 м и моделями естественного лесовозобновления. Последние зависят от преобладающей породы деревьев, произраставших ранее в данном таксационном выделе, от ландшафтных и лесорастительных условий.

Для работы используют планшеты или планы насаждений, с которыми в среде геоинформационной системы совмещают изображения контуров участков гарей на космических снимках. Для каждого участка по таксационной базе находят данные о коренных и производных типах леса, после чего формируют страты. Основываясь на региональных особенностях взаимосвязи типов леса и продолжительности его восстановления, характера смены древесных пород, оценивают степень его возобновления на землях, числящихся безлесными. При благоприятных выводах их можно перевести в категорию "покрытых лесом", но вопрос решают отдельно для каждого конкретного участка.

Если решено изменить категорию земель, то для молодых насаждений каждого выдела делают принятое для их возраста и типа лесорастительных условии таксационное описание, которое включает состав, средний возраст, высоту, диаметр, полноту и запас древесины. Эти показатели определяют для страт в целом в соответствии с моделями возобновления и роста молодняков, составленными по данным последней инвентаризации леса, а также по материалам проектных и научно-исследовательских организаций.

Полученные в процессе мониторинга данные - основание для внесения соответствующих коррективов в материалы учета лесного фонда и планирования комплекса восстановительных мероприятий. Они подлежат уточнению при периодическом (каждые 10 - 20 лет) проведении инвентаризационных работ.

В настоящее время изложенная здесь методика дистанционного мониторинга естественного лесовозобновления на вырубках, гарях, других не покрытых лесом и нелесных землях передана нами Федеральному агентству лесного хозяйства для производственной апробации и внедрения.

Отметим: приведенными примерами не исчерпывается сфера применения материалов космических съемок в лесном хозяйстве. Их успешно продолжают использовать при инвентаризации лесов, их охране от пожаров, проведении лесопатологического мониторинга. Параллельно происходит совершенствование технологий - ведь средства дистанционного зондирования и методология анализа и обработки аэрокосмической информации непрерывно развиваются.

* См.: В. П. Сенкевич. Российская космонавтика на рубеже веков. - Наука в России, 2001, N 1.

** Недорубы бывают компактные - когда не затронуты большие куртины деревьев и расстроенные - если насаждение изрежено рубками (прим. авт.).

*** Трелевочные коридоры - временные дороги, организуемые внутри лесосеки для прохождения техники с целью ограничения нагрузки на почву и подрост (прим. авт.).


Доктора сельскохозяйственных наук Василий СУХИХ, Василий ЖИРИН, Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (Москва)

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD