Исследование воздействий пожаров на лесные экосистемы по материалам крупномасштабных цифровых съемок

УДК 528.4

Л.К.Трубина, А.М. Климашин СГГ А, Новосибирск Г.А. Иванова

Институт леса СО РАН, Красноярск К.П. Куценогий

ИХКиГ СО РАН, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПОЖАРОВ НА ЛЕСНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ ПО МАТЕРИАЛАМ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ЦИФРОВЫХ СЪЕМОК

Лесные пожары наносят огромный экологический и материальный ущерб. Ежегодно в России происходят десятки тысяч лесных пожаров, охватывая площади величиной в среднем 900 тыс. [1] га. При этом пожары приводят к уничтожению не только леса, но и населенных пунктов.

На сосновые леса, сосредоточенные преимущественно в Сибири, приходится до 60% общего количества лесных пожаров. Высокая природная опасность сосновых лесов требует особого внимания к исследованиям природы возникновения и распространения пожаров в них, а также оценки экологических последствий.

В рамках совместного российско-американского проекта 99-ICA-076 “Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири” (координатор проекта Институт леса СО РАН, руководитель Иванова Г.А.) проводились комплексные исследования зонально-экологических особенностей лесных пожаров в сосняках средней Сибири [1]. Они включали серию широкомасштабных экспериментов по моделированию поведения пожаров. Данные эксперименты представляют собой контрольные выжигания на участках размером 200х200 м., на каждом из которых разбита сеть точек через 25 метров для сопоставимости экспериментальных данных. Во время эксперимента проводились измерения кромки горения. До и после пожара определялись характеристики лесных горючих материалов, отбирались их образцы.

На восьми таких участках для сбора детальных сведений о состоянии растительности и напочвенного покрова выполнялась крупномасштабная цифровая съемка в соответствии с методиками, представленными в работе [2].

При этом фотографирование выполнялось как до пожаров, так и в последующие годы. Места проведения экспериментов схематично показаны на рис.1. Выжигания проводились на площадках, размером примерно 200х200 метров. До начала эксперимента собирались различные сведения о состоянии участка, в том числе почвенного и растительного покровов. Во время выжигания отслеживались интенсивность и скорость распространения огня, загрязнения атмосферы продуктами горения. В последующие годы наблюдалась и фиксировалась динамика восстановления растительного покрова. Выполнены цифровые съемки и геодезические работы на восьми

площадках. Для каждой из площадок по результатам геодезических измерений сформированы цифровые модели рельефа (ЦМР) средствами программы Surfer [3].

При фотографировании участков применялись горизонтальная и перспективная съемки разных масштабов. По перспективным снимкам смонтированы панорамы с высоким разрешением, обеспечивающие хороший обзор местности, что важно для визуальной оценки биоценотического разнообразия экспериментальных участков. На рис. 2 представлены две панорамы на разные годы, снимки для которых получены с одной и той же точки. Как видно по увеличенным фрагментам, их визуальное качество позволяет рассматривать детали, вплоть до структуры коры деревьев, мелких веток, листьев и т.д.

Горизонтальная стереосъемка выполнялась с 25 точек, равномерно распределенных по всему участку (площадь покрытия одним снимком составила примерно 0,8 м ). По стереопарам сформированы стереомодели для их рассматривания на экране монитора анаглифическим методом. Стереомодели отражают сфотографированные объекты близко к реальному и поэтому могут служить объективным документом о состоянии растительности до пожара. Кроме того, обработка стереопар позволяет получать количественные характеристики отдельных растений, например площадь листьев. Также возможно определение проективного покрытия разных видов [3].

До выжигания

Через 2 года после выжигания

Рис. 2. Панорамы одного из участков, в центре увеличенные фрагменты панорам (до выжигания и спустя 2 года)

Предложена методика расчета проективного покрытия средствами ERDAS IMAGINE, которая основана на классификации исходного

изображения по фототону. Методика обработки изображения включает следующие процессы:

На рис. 3. показаны фрагменты исходного изображения, полученного с одной из 25 точек, и результат его классификации.

Рис. 3. Классификация изображения:

а - исходное изображение; б - классифицированное изображение, где 1 лишайник,

Согласно вышеизложенному, обработаны крупномасштабные изображения (25 снимков) на участок эксперимента, в результате построена схема распределения растительности по участку, показанная в виде изолиний на рис. 4. По рисунку видно, что преобладает лишайник и в достаточно большой степени мох.

Рис. 4. Схема распределения растительности, где 1 - лишайник, 2 - мох

Для дальнейшего анализа проективного покрытия сформированное тематическое изображение может быть наложено на ЦМР.

Таким образом, применение цифровых крупномасштабных снимков при моделировании лесных пожаров может обеспечить такие исследования дополнительными сведениями. Цифровые изображения имеют исключительное значение как средство хранения информации о состоянии местности до проведения пожара, а стереомодели, обеспечивая объемное представление, позволяют получать пространственные характеристики сфотографированных объектов. К исходным изображениям, как источнику данных, можно неоднократно обращаться для уточнения или дополнения сведений о конкретном участке. Результирующая информация в виде ЦМР, новых тематических изображений может импортироваться в другие программные продукты для комплексного анализа разных факторов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального управления космических исследований (NASA), Программы исследования изменений земных покровов и землепользования (ЬСиС), Лесной службы Департамента сельского хозяйства США, Канадской лесной службы Министерства природных ресурсов Канады, Сибирского отделения Российской Академии наук.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

© Л.К.Трубина, А.М. Климашин, Г.А. Иванова, К.П. Куценогий, 2006