представлены основные результаты проекта за 2018 и 2019 годы
За два года выполнения проекта
Сформирован перечень биотопов национальных парков (НП) «Смоленское Поозерье» (Россия) и «Нарочанский» (Республика Беларусь) в соответствие с европейской классификацией биотопов EUNIS (http://eunis.eea.europa.eu/habitats-code-browser.jsp). Определены четыре ключевых биотопа в лесных в болотных экосистемах, один в луговых экосистемах и один на залежных землях для НП «Смоленское Поозерье», которые исследуются в рамках проекта. Таблица биотопов (включая ключевые) приводится в разделе БИОТОПЫ
Создана база данных индикаторов биотопов на основе спутниковых, топографических и тематических данных НП «Смоленское Поозерье» (раздел ТЕМАТИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ).
Создана база геоданных из 6917 эталонных участков для всех лесных биотопов НП «Смоленское Поозерье» (включая 1250 участков для ключевых типов), которые использовались для оценки возможностей распознавания ключевых биотопов между собой и относительно фоновых, а также для оценки информативности индикаторов. В разделе ДИЗАЙН ПРОЕКТАприводится методика исследований. Результаты пространственной оценки ключевых лесных биотопов приводится в разделе РЕЗУЛЬТАТЫ.
База данных наземных геоботанических обследований включает описания на 473 площадках наземных площадках с привязкой их к классификации EUNIS. Геоботанические описания выполнены в ходе наземных обследований экспедиций ЦЭПЛ РАН, ИЭБ им. В.Ф. Купревича, Республика Беларусь (Д.Г. Груммо, А.В. Судник) и других российских геоботаников (А.В. Титовец, Н.А. Березина и др.) в период с 1999 по 2019 гг. (в 2019 г. проведены обследования и подготовлены описания на 34 площадках). База содержит списки видов с учетом ярусной структуры насаждения, а также информацию по местообитанию: номер описания; авторы описания; дата описания; площадь описания; экспозиция склона и его уклон в градусах; проективное покрытие ярусов; высота ярусов (верхнего и подчиненного древесного подъяруса, подроста и подлеска, травянистого яруса), географические координаты (широта, долгота), местонахождение (область, район, наименование лесничества, положения относительно линейных и точечных объектов и др.), формула породного состава древостоя, диаметры деревьев (максимальный и средний), характеристика валежа и сухостоя, наличие антропогенных нарушений, принадлежность описаний типологическим категориям системы EUNIS. Геоботанические описания болот выполнены в сотрудниками ИЭБ им. В.Ф. Купревича, Республика Беларусь, под руководством Д.Г. Груммо. Данные геоботанических описаний площадок луговых биотопов сформированы на основе наземных геоботанических обследований четырех трансект, которые проводились сотрудниками ИЭБ им. В.Ф. Купревича, Республика Беларусь в 2014-2015 гг. Данные описаний площадок зарастающих с/х угодий содержат геоботанические описания напочвенного покрова и лесотаксационные характеристики молодых древостоев, собранные за период наземных обследований 2016-2017 гг. в рамках проекта РФФИ №16-54-00142.
Проведена оценка пространственного распределения ключевых биотопов в лесах и на болотах национального парка «Смоленское Поозерье» с использованием спутниковых данных высокого пространственного разрешения SENTINEL-2 (описание этапов классификации приводится в разделе КЛАССИФИКАЦИЯ)
Проведены две экспедиции в 2018 годуСсылка : http://cepl.rssi.ru/science/expeditions/#1561468569733-30bb62d8-08c1и одна - в 2019 году: http://cepl.rssi.ru/news-2019-07-17/. Во время экспедиции в июле 2018 г. в НП «Смоленское Поозерье» участники проекта под руководством Тихоновой Е.В. обнаружили редчайший вид, занесенный в Красную книгу РФ, – надбородник безлистный (Epipogium aphyllum (Schmidt) Sw.) – это первая находка для Смоленской области. Важно, что данная находка, также, как и многие другие новые местонахождения редких видов (лишайник Meneggazzia terebrata (Hoffm.) A. Massal. (Красная книга РФ) – первая находка для Смоленской области, зубянка бульбоносная (Dentaria bulbifera L.) и др. были сделаны в пределах однородных участков (биотопов), согласованных с классификацией EUNIS (http://cepl.rssi.ru/news-2018-07-21/), выделенных с использованием разработанного в рамках проекта метода стратификации лесов Национального парка на основе комплексного пространственного анализа спутниковых изображений, слоев цифровой модели рельефа и данных повыдельной лесной таксации. Материалы по находкам редких видов переданы составителям нового издания Красной книги Смоленской области. Создана база данных местонахождений редких (включенных в Красную книгу Смоленской области и Красную книгу РФ) видов сосудистых растений и лишайников на территории НП «Смоленское Поозерье» на основе выявленных в ходе экспедиционных работ и материалов обследований, проведенных ранее учеными Н.М. Решетниковой, Н.А. Виляевой и др.
Разработан автоматизированный метод выделения крон деревьев верхнего полога по ортофотопланам, полученных в результате аэрофотосъемки лесных участков НП «Смоленское поозерье» в 2018-2019 гг. . Аэрофотосъемка проводилась квадрокоптером DJI Phantom 3 Advance c камерой Sony EXMOR в видимом диапазоне электромагнитного излучения (RGB синтез). Результаты аэрофотосъемки прошли фотограмметрическую обработку в программном пакете «Agisoft Photo Scan Professional». Пространственное разрешение полученных ортофотопланов составляют 7-9 см, цифровой матрицы высот местности – 30 см. Ортофотопланы имеют географическую привязку WGS84.
В основе алгоритма лежит метод сегментации изображений – «маркерный водораздел», адаптированный для сегментации ортофотопланов с лесной растительностью (алгоритм создания маркеров). Более подробно метод маркерного водораздела описан в разделе «Методы и подходы» данного отчета. Результатом работы алгоритма являются тематические растровые изображения для каждого участка (ортофотоплана) с кронами деревьев верхнего полога, каждая крона имеет свое уникальное значение яркости. Для решения задачи выделения крупных объектов на ортофотопланах, для каждой выделенной кроны методом маркерного водораздела были рассчитаны их площади и проведен статистический анализ размеров крон. Распределение площадей крон является степенным с длинным «хвостом», соответствует распределению Парето. В «тяжелом хвосте» распределения Парето находятся кроны с наибольшей площадью, при этом вероятность их появления мала. Для выделения крупных объектов был применен «ABC – анализ» – метод рационализации, позволяющий классифицировать объекты по их вкладу, в данном случае, в общее (суммарное) значение площадей крон. Было принято, что ключевые лесные объекты, имеющие большую площадь кроны, чем остальные деревья, вносят незначительный вклад в распределение, а также вероятность их появления мала, поэтому относятся к классу «С» (вклад в общую площадь не более 5%). Валидация проводилась на пяти тестовых участках, где было выполнено визуальное дешифрирование крон ). Полученные результаты ручного выделения сравнивали с результатами выделения контуров крон автоматизированным методом маркерного водораздела: были рассчитаны матрицы ошибок для каждого участка и коэффициент согласия k (каппа Коэна), который составил: 0.68, 0.54, 0.36, 0.24, 0.51.
Разработаны рекомендации по применениею разработанных методов выявления и геопространственной оценки ключевых биотопов. Основным фактором, накладывающим серьезные ограничения на точность моделирования и получение надежных результатов, является нехватка материалов наземных обследований, которые позволили бы сформировать обучающие и контрольные выборки достаточного объема для пространственного моделирования распространения биотопов различных типов. Большинство использованных в проекте наземных данных собрано в рамках других исследований под свои задачи и не описывает в полной мере пространственную вариабельность спектральных и топографических признаков, использованных нами для тематической классификации. Для минимизации этого недостатка, мы предложили автоматизированный метод проектирования регулярной сети наземных обследований, который потенциально позволяет сформировать выборку, оптимизированную по объему и пространственному расположению для нашего дистанционного метода моделирования и выявления ключевых биотопов. И хотя нам не удалось провести полноценную апробацию использования спроектированной регулярной сети из-за ограниченных временных и финансовых возможностей, мы можем рекомендовать такой подход сбора опорных и контрольных данных для выявления ключевых биотопов в качестве наземной компоненты, обеспечивающей достаточной информацией дистанционный метод.
Разработан оригинальный автоматизированный метод проектирования пространственного расположения участков для потенциальных наземных обследований и/или выборочной аэрофотосъемки на основе результатов стратификации территории по анализируемым тематическим признакам. Предложенный алгоритм позволяет находить оптимальный вариант позиционирования фиксированного (минимального необходимого для задач исследования) числа пробных площадей, таким образом, чтобы они равномерно охватывали все выделенные страты (тематические классы) и были распределены по территории относительно регулярно. Результатом работы алгоритма является геопривязанная сеть с фиксированными значениями для шага (расстояние между центрами узлов) и радиуса узлов (расстояние максимального удаления потенциальной пробной площади от центра узла)