Смирнова Е.В., Лебедева Н.Я., DATA+, E-mail: esmirnova@dataplus.ru
Бобринский А.Н., Российский центр защиты леса («Рослесозащита»), E-mail: abobrinskoy@yandex.ru
Российский Центр Защиты Леса (РЦЗЛ) является подразделением Рослесхоза, на которое возложено осуществление лесопатологического мониторинга (ЛПМ), как составной части общей системы мониторинга за состоянием лесного фонда Российской Федерации. Деятельность РЦЗЛ включает не только сбор, обработку, хранение и анализ информации о лесопатологическом состоянии лесов, выявление причин их деградации, но и оценку эффективности проводимых лесозащитных, лесоохранных и лесоустроительных мероприятий. По правилам ведения лесного хозяйства, закрепленным в новом Лесном кодексе РФ (2007г.), вся деятельность, связанная с использованием, охраной, защитой и воспроизводством леса, осуществляется на основе лесорастительного районирования. Организация и ведение лесопатологического мониторинга осуществляется на основе лесозащитного районирования с определением зон слабой, средней и сильной лесопатологической угрозы. Основные функции по учету и использованию лесных ресурсов передаются в субъекты РФ, при этом территориальными единицами управления в области использования, охраны, защиты, воспроизводства лесов станут лесничества и лесопарки.
Действующая система лесопатологического мониторинга поддерживается на трех уровнях: локальном, региональном и федеральном. Локальный мониторинг обеспечивает сбор первичной лесопатологической информации на уровне лесничеств. Региональный мониторинг ведется в субъектах РФ на базе региональных центров лесозащиты. Последние являются структурными подразделениями РЦЗЛ и осуществляют сбор и обработку первичной лесопатологической информации, принятой формой обобщения которой являются ежегодные отчеты. Федеральный мониторинг возложен непосредственно на РЦЗЛ. В его задачи входят: сбор данных от регионов в виде различных форм статистической отчетности и создание федерального банка данных лесопатологической информации; обобщение и анализ материалов ЛПМ; общее организационное и методическое руководство ведением ЛПМ.
Очевидно, что эффективная система мониторинга должна опираться на геоинформационные технологии при формировании разномасштабной, многофакторной и многокомпонентной пространственной модели современного состояния лесных ресурсов и происходящих в них изменениях. В настоящее время создание ГИС для целей ЛПМ ведется по двум направлениям. Первое связано с разработкой оперативной информационной системы дистанционного лесопатологического мониторинга, которое осуществляется ИКИ РАН совместно с Центром экологии и продуктивности леса (ЦЭПЛ). Второе направление ориентировано на создание системы картографического лесопатологического мониторинга, основы которой разработаны в отделе картографических проектов ДАТА+ совместно с РЦЗЛ. Дистанционный блок ГИС создавался в течение ряда лет и в 2008 году принят РЦЗЛ к опытной эксплуатации. Картографический же блок только начинает формироваться и для его полноценного внедрения потребуется немало времени. Поэтому сегодня мы говорим не о завершенной системе, а об ее стартовом варианте, который, как нам представляется, должен послужить отправной точкой для полноценного развития и внедрения ГИС во всех подразделениях РЦЗЛ.
Необходимость в картографическом блоке ГИС ЛПМ обусловлена потребностью РЦЗЛ и его региональных подразделений в комплексном пространственном представлении и использовании всех информационных ресурсов ЛПМ, включая данные статистической отчетности, наземных и дистанционных наблюдений, таксационных описаний и экспедиционных обследований. В качестве программной среды реализации картографического блока ГИС ЛПМ выбрано семейство продуктов ArcGIS, а в качестве картографической формы его реализации – форма интерактивного ГИС-Атласа. Предполагается, что содержательное наполнение Атласа будет осуществляться поэтапно, по мере готовности исходных данных для ввода в систему, а информационной основой для его создания послужит распределенная база данных, в которой материал организуется по иерархическому принципу на разных уровнях ведения ЛПМ, включая временные ряды наблюдений за объектами мониторинга.
Ключевой вопрос любой ГИС – информационное обеспечение. Поэтому первоочередная задача заключается в формировании базы геоданных ЛПМ, которая должна включать, как минимум, картографические основы, тематические и ведомственные данные разного уровня детальности. Пока РЦЗЛ имеет цифровую топографическую основу масштаба 1:1000000, которая соответствует федеральному уровню ведения ЛПМ. Кроме топографических основ в качестве базового картографического слоя необходима карта современного деления территории на лесничества, служащая для агрегирования первичной лесопатологической информации и проведения лесозащитного районирования территории по степени лесопатологической угрозы. Тематические карты пока тоже «слабое звено» на всех уровнях информационного обеспечения ГИС ЛПМ. В лучшем случае, специалисты пользуются бумажными картами или их растровыми копиями. Из цифровых данных имеется в наличии карта «Леса СССР» исходного масштаба 1:2500000, на которой представлены лесные территории с выделенным преобладающим породным составом по состоянию 30-летней давности. Кроме того, на федеральном уровне мониторинга может использоваться растровая карта лесов России по преобладающим группам пород и классам сомкнутости древесного полога, выполненная по космическим снимкам с разрешением 1км по состоянию 2000 года.
В дальнейшем предполагается наполнение тематического раздела сериями карт природных условий, хозяйственной деятельности и экологического состояния территории, что позволит более полно исследовать причины деградации и гибели лесов и давать оценку лесопатологической угрозы. Часть этих данных, особенно федерального уровня обобщения, может быть скачана из Интернет-сайтов, другая часть данных будет поступать по каналам межведомственного взаимодействия и информационного обмена на договорной основе. Из ведомственных источников наиболее подготовленными для использования в ГИС являются данные статистического учета, регулярно поступающие в РЦЗЛ и хранящиеся в табличной форме. Статистические показатели характеризуют площадь распространения лесопатологических явлений за отчетный период по территориальным единицам учета: лесничествам (лесхозам), субъектам РФ, федеральным округам. Статистический учет ведется по трем основным группам показателей: гибель и деградация лесных насаждений от разных причин; распространение и динамика состояния популяций вредителей и болезней леса; лесозащитные мероприятия. К потенциальным источникам информации о текущем состоянии лесных насаждений относятся данные, получаемые с пунктов постоянных наблюдений (ППН), которые закладываются на европейскую часть страны по программе международного Европейского мониторинга (ICP-Forest). Регулярная биоиндикационная сеть ППН с шагом 16х16 км в населенных районах и 32х32 км в малообжитых районах покрывает 500-километровую зону западного региона РФ. Каждая точка наблюдения имеет точную координатную привязку и сопровождается формализованным описанием древостоя по ряду жизненных показателей, обобщение которых на региональном уровне позволит следить за состоянием здоровья лесных экосистем.
Концепция ГИС-Атласа разрабатывалась, исходя из имеющихся и потенциально возможных информационных ресурсов. При этом учитывалась специфика информационной базы ЛПМ, которая будет постоянно находиться в состоянии динамического обновления вследствие изменчивости самого объекта мониторинга. С учетом задач, стоящих перед службой лесопатологического мониторинга, были определены тематические разделы Атласа. Варианты картографических моделей в рамках стартового проекта ГИС ЛПМ ограничивались наличием исходных данных.
Лесопатологическое содержание Атласа представлено тремя взаимосвязанными разделами, в которых отражены основные направления деятельности РЦЗЛ. Первый раздел посвящен факторам деградации и гибели лесов и ведущимся для их предотвращения лесозащитным мероприятиям. Второй раздел включает данные мониторинга очагов вредителей и болезней леса, а также мероприятий по ликвидации очагов поражения. Третий раздел демонстрирует данные фонового мониторинга леса и оценку его актуального состояния. Для наполнения тематического раздела, содержащего общие характеристики состава и состояния лесных ресурсов, использовались статистические данные лесоустройства, которые находятся в свободном доступе на портале ФГУ «Рослесинфорг». Каждый раздел формируется как самостоятельный картографический сценарий, раскрывающийся в виде заданных картографических сюжетов.
Интерактивная форма Атласа позволяет обновлять и дополнять исходные данные, развивать обозначенные сюжетные линии, разворачивать новые картографические сценарии, интегрировать данные дистанционного мониторинга. Для позиционирования и анализа лесопатологической информации помимо базовых топографических слоев необходимы картографические слои ареалов леса с характеристиками их породного состава, бонитета, лесорастительных и лесохозяйственных условий и т.д. В дальнейшем в структуру Атласа предполагается включить блок оценочно-прогнозных картографических сюжетов, отражающих степень и формы изменения лесных ресурсов под действием комплекса лесопатологических факторов. Приведенная концептуальная схема ГИС-Атласа применима для всех уровней ведения ЛПМ и может поддерживаться и в федеральном центре, и в его региональных подразделениях. В стартовом варианте ГИС-Атласа в основном использовались статистические данные, которые аккумулируются в федеральном центре и служат для анализа и оценки лесопатологической ситуации в регионах и в стране в целом.
Задача первого раздела Атласа – представить основные характеристики гибели лесов и оценить масштабы их проявления в различных субъектах РФ. По статистическим данным основная доля гибели лесов приходится на пожары и неблагоприятные погодные условия (свыше 90%); значимыми причинами гибели лесов являются поражение вредителями и болезни леса (порядка 5%); на антропогенные факторы приходится менее 1% лесных угодий. Соответственно, каждый фактор может рассматриваться как самостоятельный картографический сюжет, развитие которого зависит от наличия исходных данных, включая временные ряды. Отдельный сюжет представляет общую картину гибели лесов по совокупности вышеперечисленных факторов (рис. 1). В этом картографическом сюжете интерпретируются статистические показатели за 2006 год. Цветовым фоном служит тематический слой природных зон, дающий представление о лесорастительных условиях в регионах, прозрачным точечным фоном показаны площади погибших лесов, а градуированными круговыми маркерами – доля погибшего леса в процентах от лесопокрытой площади. Если на эти слои наложить слой, демонстрирующий вклад отдельных факторов в гибель леса, то получается достаточно полная визуальная картина масштабов этого процесса за отчетный период. Визуальная картина может быть дополнена количественными показателями глубины и плотности поражения леса (рис. 2). Показатель глубины поражения рассчитывался как отношение площади погибших насаждений к площади пораженного леса. Показатель плотности поражения определялся в долях нарушенных (пораженных) лесов от лесопокрытой площади. Подобные интегральные показатели могут быть положены в основу оценки лесопатологической угрозы и лесопатологического районирования по степени деградации и гибели лесов.
Рис. 1. Общая и удельная площади погибших лесов в сочетании с факторами их гибели по субъектам РФ.
Рис. 2. Характеристика масштабов поражения леса по субъектам РФ.
Следующий раздел ГИС-Атласа посвящен проблеме усыхания лесов вследствие поражения насекомыми и болезнями. Картографический сценарий этого раздела предусматривает характеристику очагов по видам вредителей и болезней, по фазам развития популяций и степени поражения насаждений, по лесозащитным мероприятиям, проводимым для локализации и ликвидации очагов поражения. При этом нужно учитывать, что провоцирующими факторами для вспышек очагов насекомых и болезней леса могут служить пожары, неблагоприятные погодные условия, загрязнение окружающей среды, данные по которым всегда могут быть подключены в интерактивном режиме работы с Атласом. То есть, необходим комплексный многофакторный анализ причин усыхания леса, на основе которого дается прогноз развития очагов поражения и планируются лесозащитные мероприятия. Пространственную картину усыхания дает Рис. 3. Данный сюжет позволяет не только судить о степени усыхания лесов в субъектах РФ, но и оценить вклад отдельных видов вредителей и болезней в этот процесс. Показательна карта состояния очагов поражения (рис. 4), из которой следует, что примерно в половине субъектов РФ площади усыхания лесов увеличиваются.
Рис. 3. Доля очагов болезней и вредителей леса в усыхании лесов по субъектам РФ.
Рис. 4. Динамика состояния очагов поражения леса по субъектам РФ.
Оценка текущих изменений леса рассматривается в третьем разделе ГИС-Атласа. В его основу должны лечь данные регулярных наземных наблюдений, лесной таксации и инвентаризации лесов. Предполагается, что ядро этого раздела будут составлять данные, полученные на Пунктах постоянных наблюдений, а также данные, поступающие от ФГУП «Рослесинфорг», в задачи которого входит государственная инвентаризация и оценка состояния лесов. ППН представляют собой репрезентативные, однородные по составу растительности участки фиксированных размеров и формы, закрепленные в натуре и на планово-картографической основе, в отношении которых регулярно по международной программе проводится комплекс мониторинговых наблюдений. Впервые по такой биоиндикационной сетке в 2007 году получены и в автоматическом режиме обработаны данные на территорию Ленинградской области. Предоставленный фрагментарный массив данных по 130 точкам использовался для эксперимента по пространственному моделированию статистических полей показателей состояния леса с помощью модуля ArcGIS Spatial Analyst. Индикаторами состояния древостоев служили характеристики дефолиации и дехромации, выраженные в средних процентах деревьев на каждой точке наблюдения. Для интерпретации полученных полей дехромации и дефолиации учитывались принятые группировки значений по шкале состояния для каждого признака: до 10% – отсутствие процесса, 10-25% – слабая стадия, 25-60% – средняя стадия, свыше 60% – сильная стадия. По дехромации слабая стадия процесса (порядка 11%) отмечается лишь в отдельных точках наблюдений на общем фоне допустимой нормы. Более выраженный и дифференцированный характер в регионе имеют признаки дефолиации, демонстрируя отклонения от нормы на значительных территориях до нижней границы средней стадии процесса (25-30%), что особенно выражено в окрестностях Бокситогорска (рис. 5). В дальнейшем поля дефолиации и дехромации, полученные методом кригинговой интерполяции данных, могут служить для уточнения границ поражения леса по космическим снимкам и данным аэровизуальных обследований.
Рис. 5. Статистическое поле дефолиации лесов, построенное по данным ППН.
В настоящее время представленный вариант ГИС-Атласа является рабочей (стартовой) версией, предназначенной, в первую очередь, для получения специалистами навыков работы в ГИС, расширения спектра информационных ресурсов и включения их в развитие картографических сюжетов. В дальнейшем необходимо адаптировать систему на функционирование как в рабочем режиме, так и в демонстрационном, когда поступающие данные оперативно перерабатываются специалистами в картографическую форму и сразу предоставляются потребителю лесопатологической информации. Функционирование Атласа в таком режиме обеспечит картографический портал РЦЗЛ с регламентированными зонами доступа к информации для разных групп пользователей. Приведенная концептуальная схема ГИС-Атласа может использоваться и при разработке других видов мониторинга природных экосистем и их компонентов на основе геоинформационных технологий.
