Краткое изложение
Вступление
Цели и задачи
Методология
Исследования на тестовом участке Егорьевский лесхоз
Исследования на тестовом участке “Экспериментальный лесхоз “Ручей Бонанза”
Исследования на тестовом участке Бассейн реки Бирюса
Выводы
Перспективы развития проекта
Коллектив авторов
Благодарность за вклад в работу

Российские и американские ученые осуществляют совместное исследование по оценке пригодности несекретных информационных продуктов, создаваемых на основе данных систем национальной безопасности и используемых для нужд мониторинга состояния бореальных лесов. В исследовании был сделан упор на демонстрацию использования этих производных продуктов в совокупности с данными гражданских спутниковых систем, в частности Landsat, “Ресурс-Ф” и SPOT. Исследования были проведены на тестовых участках в западных и восточных регионах России (Московская область и Красноярский край) и в центральной Аляске (район г. Фербанкс). Эксперты разработали ряд производных информационных продуктов, при этом они не имели прямого доступа к другой информации об изучаемых лесных массивах. Был проведен сравнительный анализ точности этих продуктов в сравнении с данными наземных наблюдений, осуществленных учеными непосредственно на тестовых участках. Результаты этого исследования наглядно продемонстрировали, что информация, получаемая на основе аналитической обработки данных систем национальной безопасности, может быть использована для повышения эффективности применения данных гражданских спутниковых систем. В частности, это исследование продемонстрировало, что несекретные продукты, создаваемые на основе данных систем национальной безопасности, могут с успехом применяться для: (1) повышения точности карт категорий земель, создаваемых на основе космических снимков Landsat; (2) повышения качества интерпретации таких характеристик древостоев, как породный состав, степень сомкнутости полога насаждений и группы высоты; (3) повышения точности определения изменений в категориях земель, выявленных на изображениях Landsat и SPOT; (4) мониторинга более долгосрочных изменений лесного покрова (начиная с 1960 г.) в сравнении с имеющимися данными при использовании космических снимков Landsat; (5) повышения точности определения картины ущерба и гибели древостоев в результате нашествий насекомых-вредителей. Эти научные изыскания особенно важны в свете недавно подписанного Протокола к Общей Конвенции по изменению климата Организации объединенных наций, который призывает к “защите и поддержанию источников депонирования и хранилищ парниковых газов” и “воплощению в жизнь практических методов лесовосстановительных работ, новых лесопосадок и воспроизводства лесных ресурсов”. В ходе будущих исследований в рамках совместного Российско-Американского проекта по изучению лесного хозяйства Рабочей группы по окружающей среде будет сделан упор на демонстрацию уникальных подходов к решению обеих этих задач с использованием информации, получаемой на основе данных систем национальной безопасности.

При дистанционном зондировании лесов большое внимание уделяется использованию космических методов. Системы национальной безопасности России и США с начала 60-х годов аппаратурой высокого пространственного разрешения провели космические съемки значительных территорий бореальных лесов в Евразии и на Аляске. При этом многие территории покрывались съемкой многократно. Использование архивов этих съемок сверхвысокого разрешения^1/, а также космических изображений более низкого разрешения, получаемых с гражданских космических аппаратов (КА), создает уникальную возможность для исследования состояния и динамики бореальных лесов в связи с возрастающим антропогенным воздействием и изменением климата.

В рамках Рабочей группы по окружающей среде Российско-Американской Комиссии по экономическому и технологическому сотрудничеству (также именуемой Комиссией Черномырдин-Гор)^2/ была выражена большая заинтересованность обеих стран в демонстрации возможного применения систем национальной безопасности в совокупности с данными гражданских систем дистанционного зондирования Земли и наземными обследованиями для нужд мониторинга бореальных лесов. Настоящий проект был разработан с учетом обоюдного стремления, продемонстрировать возможности применения системы национальной безопасности и гражданских технологий в целях глубокого изучения состояния и динамики бореальных лесов. За последние два года российские и американские специалисты, инженеры и эксперты по аналитической обработке данных исследовали снимки сверхвысокого разрешения бореальных лесов, полученные космическими системами национальной безопасности в обеих странах, и оценили их возможности для решения проблем, имеющих важное значение для глобального изменения климата и долгосрочного воспроизводства лесных ресурсов.

Работы по совместному российско-американскому проекту по изучению бореальных лесов были разделены на четыре отдельных этапа, каждый из которых выполнялся на специально подобранных контрольных участках по заранее согласованной программе. Хотя данный отчет составлен по итогам выполнения работ первых двух этапов, в нем изложены основные проблемы, касающиеся третьего этапа (табл.1). Для каждого этапа контрольные участки отбирались как в России, так и в США. На основе полученных данных по этим участкам в рамках выполнения первых двух этапов было создано пять отдельных тематических продуктов, которые использовались для решения конкретных задач (табл. 1, рис. 1).

Рис.1. Расположение тестовых участков

Хотя общей целью проекта является демонстрация возможностей информационных продуктов, создаваемых на основе данных систем национальной безопасности, предоставлять уникальную информацию о состоянии бореальных лесов, в ходе проекта был сделан вывод о том, что невозможно собирать достаточный для анализа объем данных, используя для мониторинга только снимки сверхвысокого разрешения. Поэтому основной упор в этих исследованиях делался на демонстрации того, как данные систем национальной безопасности могут расширить информацию, получаемую гражданскими спутниками, которые уже применяются для нужд мониторинга бореальных лесов.

Другим важным аспектом работ по проекту было определение объемов информации, которая может быть извлечена из систем национальной безопасности специалистами по дешифрированию, которые совсем, или почти совсем, не знакомы с тестовыми участками. Была осуществлена оценка точности несекретных продуктов, полученных в результате аналитической обработки данных систем национальной безопасности, в сравнении с данными полевых обследований. Данные, полученные в результате полевых исследований, были представлены исполнителями в виде геоинформационных систем (ГИС). Участники проекта определили и согласовали конкретные параметры информации, содержащейся в пяти продуктах и получаемой на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). В начале каждого этапа группы специалистов обменялись небольшим объемом исходных данных, которые в дальнейшем были использованы при аналитической обработке космических снимков в качестве обучающих выборок.

Рис.2. Наземные снимки лесных насаждений Егорьевского лесхоза.

Тестовый участок расположен в 90 км к юго-востоку от Москвы в районе с обширными лесными массивами и смежными сельскохозяйственными угодьями (рис. 1). Лесистость территории составляет 54,2%. Леса представлены смешанными хвойно-лиственными насаждениями высокой производительности (рис. 2). Преобладающие породы в верхнем ярусе представлены сосной, елью, березой, осиной и ольхой. В лесах ведется активная лесохозяйственная деятельность: рубки леса, рубки ухода, лесовосстановление на вырубках, строительство дорог и др. Значительная доля лесов создана искусственным путем - посадкой на вырубках и других не покрытых лесом и нелесных землях хвойных пород - сосны и ели. Среди насаждений на долю молодняков приходится 26%, средневозрастных - 55%, приспевающих - 13%, спелых и перестойных насаждений - 6%. Средний возраст насаждений - около 50 лет, наибольший средний возраст у ельников (60 лет), наименьший - у осиновых насаждений (40 лет).

В качестве первого этапа в данном исследовании американские специалисты подготовили обобщенный перечень категорий земель, который включал естественные леса, в том числе увлажненные, искусственные леса, пустыри и прогалины, редины, гари и погибшие насаждения, вырубки, увлажненные нелесные земли, дороги, населенные пункты, пашни. Американские эксперты также подготовили карту категорий земель, на основе данных систем национальной безопасности (рис. 3а), которая была передана для оценки российским специалистам. Было отмечено, что с высокой достоверностью распознаны все основные категории земель (таб. 2). Некоторые расхождения наблюдаются при распознавании не покрытых лесом и нелесных земель в основном за счет неоднозначных терминологических понятий и различных подходов к вопросам генерализации при оценке земель этих категорий.

Был осуществлен сравнительный анализ карты категорий земель, составленной на основе данных систем национальной безопасности, и карты, созданной на основе интерпретации космоснимка Landsat-TM от июня 1995 г. (рис. 3б). В обоих случаях карты категорий земель создавались экспертами, которые не имели предварительной информации о категориях земель в районе исследования. Тогда как эксперты без предварительной подготовки смогли определить только 4 категории земель по снимку Landsat, они смогли распознать 15 категорий на основе данных систем национальной безопасности.

Рис.4. Сравнительный анализ характеристик лесного покрова тестовых участков Егорьевского лесхоза, полученных на основе полевых обследований и распознанных в результате интерпретации данных систем национальной безопасности США.

Результаты сравнительного анализа показали, что в целом данные систем национальной безопасности США могут быть использованы для определения характеристик лесных насаждений с достоверностью, варьирующей от удовлетворительной до высокой. Породный состав насаждений (группа преобладающих пород) в 14 случаях из 16 определен правильно (рис. 4). Только в двух случаях смешанное и лиственное насаждения спутаны с хвойным. При определении сомкнутости полога насаждений в половине случаев группы сомкнутости определены правильно, в остальных - наблюдаются допустимые отклонения в основном в сторону завышения значений на один класс густоты. На восьми участках группы диаметра крон были распознаны правильно, а на остальных – с занижением на одну категорию. При определении высоты древостоев в 70% случаев класс высоты определен правильно, в 30% случаев значения занижены на один класс (в двух случаях высоты не были измерены из-за высокой густоты крон насаждений).

На участке Егорьевского лесхоза анализ изменений в лесах выполнялся в двух вариантах. При первом исследовании российскими учеными использовались изображения Landsat-TM съемки 1986 и 1995 гг. для выявления изменения лесного покрова в этом районе, после чего американские специалисты провели более детальную интерпретацию процессов изменения на основе обработки данных систем национальной безопасности. При втором исследовании использовались рассекреченные изображения систем национальной безопасности (DISP)^3/ съемки 1972 г. и снимки SPOT 1994 г. Ниже приводятся результаты интерпретации изображений Landsat.

В ходе исследования были использованы два изображения Landsat-TM: май 1986 г. и июнь 1995 г. При исследовании использовался метод поканальных разностей, при котором автоматически распознаются и классифицируются изменения, происходящие в спектральных каналах, или отдельные характеристики, заданные специалистами. Изменения, возникшие между датами съемок, разделялись на основе спектральных характеристик на три категории (рис. 5, 6): сплошные недавние вырубки, участки изреживания насаждений и участки лесовосстановления. Российские участники посетили 11 участков с целью определения природы изменений, произошедших в период между двумя съемками Landsat. Координаты этих участков были переданы американским специалистам. Во всех случаях американские специалисты смогли правильно определить типы изменений, произошедших на разных участках, за исключением одного, по которому не имелись данные систем национальной безопасности (таб. 3).

Рис.6. Примеры отображения изменений в лесах участка “Егорьевский лесхоз”, обнаруженных на космических снимках “Landsat-TM”.

Экспериментальный лесхоз “Ручей Бонанза” расположен приблизительно в 20 км к юго-западу от г. Фербанкса вдоль автомагистрали “Паркс Хайвэй” в пределах территории Национального лесничества “Долина Танана” (рис. 1). Он является частью бореальных лесов внутренней Аляски. Их площадь составляет 42,8 миллионов гектаров или примерно 31% из 136 миллионов гектаров территории внутренней Аляски. Экономически ценные лесные угодья занимают площадь примерно 9,6 миллионов гектаров. Внутренние леса Аляски уникальны по своему расположению в зоне, характеризующейся резкими сезонными перепадами в продолжительности светового дня (более 21 часа 21 июня до менее трех часов 21 декабря), температуры воздуха (-50° С в январе и свыше 33° С в июле), непродолжительным вегетационным периодом (100 дней или менее), постоянными низкими температурами почвы, малым количеством атмосферных осадков (287 мм), одна треть из которых в виде снега, и наличием слоя вечной мерзлоты. Растительность в этом районе представлена в виде мозаики лесных и нелесных земель, вызванной особенностями структуры различных типов ландшафта, почв, уклона и местоположения, высотой над уровнем моря и пожарами на возвышенных участках и в районе поймы, недавними наводнениями и отложением осадков. Характер размещения растительности определяется приуроченностью к четырем широким ландшафтно-морфологическим зонам: холмам и хребтам возвышенности, предгорьям и низменным равнинам, древней террасе р. Танана и активной зоне поймы р. Танана. В экспериментальном лесхозе “Ручей Бонанза” представлены все основные типы лесных насаждений, характерные для центральной Аляски. Как правило, наличие черной ели, лиственницы и болот указывает на присутствие слоя вечной мерзлоты. С другой стороны, появление осины и белой ели указывает на отсутствие вечномерзлых грунтов. Береза характерна как для вечномерзлотных грунтов, так и для участков, свободных от мерзлоты. Наконец, индейский бальзамический тополь представлен обширными насаждениями в районах поймы, свободных от мерзлотных горизонтов.

Рис.7. Карта категорий земель тестового участка экспериментального лесхоза “Ручей Бонанза”, разработанная на основе интерпретации данных систем национальной безопасности России.

Хотя уже имеется подробная карта характеристик древостоев в границах лесных насаждений по отдельным тестовым участкам экспериментального лесхоза “Ручей Бонанза”, для этой территории отсутствует обобщенная карта категорий земного покрова. В ходе проведенного исследования американскими учеными была создана карта категорий земель на основе использования недавно полученных изображений аэрофотосъемки с небольшой высоты (М 1:12000), знания местных условий землепользования в этом районе и данных полевых обследований ограниченного числа тестовых участков. Классификация земель для этого исследования была предложена российскими специалистами и включала в себя следующие категории: естественные леса, искусственные леса, пустыри и прогалины, редины, гари и погибшие насаждения, вырубки, пашни, пастбища, болота, пески, овраги, дороги, усадьбы, объекты инфраструктуры (линии электропередачи, трубопроводы и т.д.) и другие категории земель, используемые при учете лесного фонда.

На рис. 7 представлена карта категорий земель, подготовленная российскими экспертами на основе данных систем национальной безопасности России. Как показано в таблице 4, почти все категории земель на этой территории (96%) были опознаны правильно (лишь 74 неточно названных объектов из общего числа 1914). Расхождения были двух видов: во-первых, неверно интерпретированы небольшие участки не покрытых лесом земель (например, вместо вырубок показаны непродуктивные земли и наоборот) и, во-вторых, участки гарей при интерпретации смешивались с болотами, большинство из которых размещались в пределах гарей и не поддавались отдельной классификации в качестве болот или увлажненных земель. К этому типу относятся практически все ошибки распознавания категорий земель (4%).

Американские участники определили в общей сложности 15 лесных выделов для исследования характеристик насаждений на участке “Ручей Бонанза”. Российские эксперты осуществили измерения по составу пород, возрастным группам, полноте (определяющейся по сомкнутости полога) и средней высоте с использованием данных систем национальной безопасности России. На рис.8 приведен сравнительный анализ состава пород, определенного путем непосредственных наблюдений и интерпретации космических снимков. Точность большинства измерений по этим четырем категориям варьировала от высокой до удовлетворительной. Расхождения большей частью составляли отклонения на один класс от наземной классификации. Исключение составило лишь распознавание состава пород и групп возраста насаждений черной ели, которые представлены древостоем с редкими кронами, растущим в жестких экологических условиях. Другой областью расхождений явились измерения полноты лиственных насаждений в связи с плотной сомкнутостью крон древостоев.

Рис.8. Сравнительный анализ характеристик лесного покрова тестовых участков на территории экспериментального лесхоза “Ручей Бонанза”, определенных в результате полевых обследований и интерпретации данных систем национальной безопасности России.

лученных с небольших высот. На рис.9 представлены два снимка, определяющие изменения, и имеющий к ним отношение космический снимок Landsat TM. По снимкам можно определить, что существует взаимозависимость между изменениями, распознанными автоматическими методами, и изменениями в спектральном отображении. На рис.10 представлены наземные фотографии ряда тестовых участков данного исследования.

Таблица 5 содержит краткое описание реальных изменений, которые произошли на 13 тестовых участках, а также природных ситуаций, распознанных на данных систем национальной безопасности России. Во всех случаях (за исключением одного) интерпретация данных систем национальной безопасности дала возможность правильно оценить природу действительно произошедших изменений.

Пятый продукт по экспериментальному лесхозу “Ручей Бонанза” заключался в оценке возможностей использования данных российских систем национальной безопасности в целях мониторинга процессов отмирания насаждений в связи со снеголомами и последующими нашествиями еловых жуков-короедов (рис. 11). Обильные снегопады, выпавшие зимой 1989 и 1992 гг., привели к обширному повреждению древостоев белой ели в пределах экспериментального лесхоза “Ручей Бонанза”. Эти снегопады вызвали не только слом веток и целых крон спелых насаждений, но также привели к нашествию на эти древостои еловых жуков-короедов, что привело к гибели большего числа деревьев.

Рис.11. Наземные фотографии, иллюстрирующие повреждение древостоев белой ели в центральной части Аляски, вызванное воздействием снега и насекомых-вредителей.

Рис.10. Наземные фотографии, иллюстрирующие типы изменений лесного покрова тестовых участков, указанных на рис. 9.

В лесах Восточной Сибири с начала 90-х годов наблюдалась разрушительная вспышка массового размножения опасного вредителя - сибирского шелкопряда (Dendrolimus sibericus), охватившая территорию более миллиона гектар. В связи с отсутствием своевременного прогноза динамики численности только в лесах Нижнего Приангарья погибло более 260 тысяч га высокопродуктивных хвойных лесов (рис. 12), что нанесло существенный ущерб лесному хозяйству этого региона. В качестве тестового участка для проведения исследований по мониторингу повреждений лесов сибирским шелкопрядом выбран Усольский лесхоз (общая площадь - 776 тыс. га), расположенный в юго-восточной части Красноярского края в бассейне реки Бирюса (рис. 1). Его природно-экологические и лесоводственные характеристики являются типичными для всей зоны повреждения лесов. На территории лесхоза значительные площади заняты темнохвойными насаждениями с различной возрастной структурой и пространственным размещением. Территория тестового участка расположена в трех лесорастительных районах Восточной Сибири: район темнохвойных лесов Енисейского кряжа; район Красноярско - Ачинско - Канской лесостепи и Ангарский южно-таежный район лиственично-сосновых лесов.

В целом природно-климатические условия территории вполне благоприятны для роста и развития древесно-кустарниковой растительности, о чем свидетельствует наличие высокобонитетных древостоев сосны, лиственницы, пихты, кедра, березы и осины. Согласно данным лесоустройства 98.3% территории тестового участка относится к категории лесных земель, из которых 94.5% составляют покрытые лесом земли. В составе лесного фонда преобладают хвойные насаждения - 64.2% (пихтовые - 26.4%, сосновые - 22.6%, еловые - 9.5%, лиственничные - 3.4% и кедровые 2.3%). На долю мягколиственных насаждений и кустарников приходится 35.8%. Преобладают спелые и перестойные насаждения, площадь которых составляет 51.7%. Доля высокополнотных насаждений - 21.6%, среднеполнотных - 66.4% и низкополнотных - 12%.

Целью данного исследования является демонстрация возможностей мониторинга долгосрочных изменений лесного покрова на основе комплексного анализа космических снимков национальной безопасности и гражданских спутниковых систем, полученных на одну и ту же территорию в различные временные интервалы. Для этого исследования были определены два тестовых участка в Чуноярском и Усольском лесхозах. Первый расположен в бассейне р.Чуна (приток р. Бирюса), а второй р. Бирюса (рис.1). Одновременно, участок в Усольском лесхозе использовался для оценки воздействия на леса региона сибирского шелкопряда (продукт 5).

Рис.13. Временные серии изображений DISP, КФА-1000, Landsat и SPOT, показывающие картину обезлесения Усольского лесхоза Красноярского края (бассейн реки Бирюса) за период 1972 - 1995 гг.

На рис. 13 представлены изображения, полученные с различных спутниковых систем и демонстрирующие картину деградации лесов в районе Усольского лесхоза. На рис. 13 также представлена карта района, леса которого интенсивно пройдены сплошными рубками и повреждены насекомыми-вредителями. Практически за период с 1972 по 1995 г.г. здесь почти полностью исчезли крупные массивы темнохвойных лесов, сменившиеся невозобновившимися вырубками, редкостойными березниками и осинниками, сухостойными шелкопрядниками.

По участку на р. Чуна были использованы наборы из четырех изображений: снимки DISP, полученные в 1965 и 1970 гг., изображения Landsat MSS от 1974 г. и Landsat-TM от 1990 г. На рис. 14 представлена картина концентрированной вырубки леса в бассейне горной таежной реки, влекущей за собой изменения гидрологического режима и общей экологической ситуации в этом регионе.

Оба этих исследования наглядно продемонстрировали возможность совместного использования архивных данных систем национальной безопасности с данными гражданских спутников для изучения долгосрочных процессов обезлесения. Поскольку снимки DISP содержат информацию начиная с 1960 г., эти данные могут быть использованы для расширения на 12 лет временного периода наблюдений гражданскими спутниковыми системами^4/.

 Продукт 5 - Мониторинг лесопатологического состояния насаждений

Исследования российских специалистов на участке Бассейн реки Бирюса наглядно продемонстрировали возможность достоверного выявления и оценки дефолиации насаждений в очагах размножения сибирского шелкопряда по гражданским многоспектральным космическим снимкам. На основе анализа спектральных смесей был разработан метод определения степени дефолиации насаждений, позволяющий оценить состояние древостоев и необходимость проведения лесозащитных мероприятий. Этот метод был применен при интерпретации снимков SPOT для создания карты поврежденности лесов в диапазоне от 10 до 100% в период вспышки размножения сибирского шелкопряда в 1995-1996 г.г. Использование этой карты позволило оценить пространственную динамику развития очагов вредителей, их экологическую приуроченность к элементам ландшафта и эффективность проведения лесозащитных мероприятий. Метод оценки состояния лесов на основе анализа спектральных характеристик древесного полога позволяет с высокой степенью достоверности выделять и другие категории земель, в частности гари с разной степенью повреждения древостоя огнем, что имеет существенное значение для прогнозирования послепожарной динамики и оценки эмиссии углерода. На рис. 15 представлен фрагмент карты, полученной на основе изображения SPOT.

Таблица 6 содержит сравнительный анализ степеней повреждения участков лесных насаждений, определенных на основе “слепой” обработки данных систем национальной безопасности и данных крупномасштабной аэросъемки (М 1:300), подкрепленных наземными обследованиями для установления признаков дешифрирования деревьев различной степени повреждения. Результаты сравнительного анализа показали, что данные систем национальной безопасности США позволяют достаточно надежно оценивать повреждения насаждений, содержащих большую (более 80%) долю погибших деревьев, хотя в большинстве случаев дают несколько завышенные (в среднем на 7%) оценки. На двух из шести участков наблюдаются существенные расхождения оценок степени повреждения (рис. 16). При этом участки, содержащие около половины погибших деревьев, были отнесены в одном случае к практически не поврежденному насаждению, а во втором - к полностью погибшему. В настоящее время выясняются причины этих расхождений.

 Выводы

Рис.15. Карта повреждений лесов в бассейне р. Бирюса в следствии вспышки массового размножения сибирского шелкопряда в 1994 - 96 годах, составленная на основе интерпретации изображений SPOT.

В заключение, приглашаем всех, кто заинтересован в ознакомлении с результатами этих исследовательских работ, посетить страницу Проекта по изучению характеристик и устойчивости бореальных лесов на странице World Wide Web по адресу:http://ewg.gecp.virginia.edu.

В частности, глобальные изменения климата, связанные с накоплением СО₂ и других парниковых газов, требуют детального изучения баланса углерода в лесных экосистемах. Бореальные леса выступают как огромное хранилище углерода в виде фитомассы живых растений, их остатков разной степени деструкции, гумуса и торфов. Проблемы глобальных экологических изменений нельзя удовлетворительно решать без оценки роли бореальных лесов в поглощении атмосферного углерода и продолжительности его удержания в лесных экосистемах. В свою очередь, эти задачи требуют количественного описания и математического моделирования основных потоков углеродного обмена между атмосферой и компонентами бореальных лесов.