Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных источников по проблеме применения гис в лесном хозяйстве 6
1.1. Основные пути, направления и возможности по применению ГИС в лесном хозяйстве и лесоустройстве 6
1.2. Опыт применения ГИС в лесном хозяйстве и лесоустройстве 8
1.3. Основные программные продукты, применяемые в лесном хозяйстве и лесоустройстве, І 1.9
2. Методика и объект исследования 32
2.1. Программа исследований 32
2.2. Методика исследований. 34
2.3. Объект исследования , 41
2.3.1 Сведения о лесхозе , 41
2.3.2 Лесорастительные условия 42
2.3.3 Характеристика лесохозяйственной деятельности лесхоза 49
2.4. Объем выполненных работ 50
3. Анализ динамики лесного фонда лисинского уолх с применениемгис-технологий 52
3.1. Составление и наложение карт лесного фонда 53
3.2. Анализ материалов последовательных лесоустройств 55
3.3. Модель динамики перехода земель из категории в категорию 85
3.4. Оценка хозяйственных мероприятий за весь период деятельности лесхоза 89
3.5. Результаты и выводы 92
4. Анализ структуры и продуктивности лесного растительного покрова на основе 3d модели рельефа местности 94
4.1. Применение GPS-технологий для построения 3D модели поверхности рельефа территории 95
4.2. Построение 3D модели поверхности рельефа территории лесхоза. Л 06
4.3. Анализ связи формы поверхности рельефа, структуры и продуктивности лесного растительного покрова 114
4.4. Выводы и заключения 131
5. Расчет рентной оценки участков лесного фонда с применением гис-технологий и метода линейного программирования 132
5.1. Модель пространственной оптимизации использования лесных ресурсов 132
5.2. Исходные данные для расчета рентных оценок участков лесного щ, фонда 138
5.3. Решение задачи линейного программирования 140
5.4. Результаты и заключение 143
Заключение 144
Список литературы
- Опыт применения ГИС в лесном хозяйстве и лесоустройстве
- Объект исследования
- Модель динамики перехода земель из категории в категорию
- Анализ связи формы поверхности рельефа, структуры и продуктивности лесного растительного покрова
Введение к работе
В настоящее время лесное хозяйство без новых информационных технологий невозможно представить. ГИС и GPS-технологии стали неотъемлемыми инструментами для устойчивого управления лесами. Первые концепции по информатизации лесного хозяйства появились в конце 60-х годов. Лесное хозяйство и таксация леса не остались в стороне, и на данный момент они заняли прочные позиции в данной области. ГИС и GPS-технологии существенно ускоряют изыскательские работы, обработку полевых материалов, создание картографических и тематических материалов (лесотаксацион-ных планов, планшетов, таксационных описаний).
Одно из определений ГИС звучит следующим образом: географическая информационная система (ГИС) определяется как программно-аппаратный комплекс, способный вводить, хранить, обновлять, манипулировать, анализировать и выводить все виды географически привязанной информации.
Структура ГИС, включает четыре обязательные подсистемы:
Ввода данных;
Хранения и поиска;
Обработки и анализа;
Представления (выдачи) данных в различном виде.
Таким образом, создание карт занимает далеко не первое место. Это вполне понятно — для того, чтобы получить твердую копию карты, совершенно не нужна большая часть функций ГИС, или они применяются опосредованно. Тем не менее, как в мировой, так и в отечественной практике, ГИС широко используются именно для подготовки карт к изданию и, в меньшей степени, для аналитической обработки пространственных данных или управления потоками товаров и услуг.
Наряду с накоплением огромного количества пространственно распределенных данных, стала более заметна тенденция по решению задач, связан-
ных с аналитической их обработкой. В связи с этим возникает необходимость разрабатывать методы и модели, с помощью которых мог бы быть выполнен анализ. Многие ГИС построены таким образом, что у пользователя есть возможность для разработки программных модулей, подключения систем программирования (Visual Basic, Visual C++, Borland Delphi) или в них уже интегрирован собственный язык программирования (MapBasic for MapTnfo). Появилась возможность применения модулей и систем 3D моделирования для оценки влияния поверхности рельефа. Благодаря этим новым направлениям в лесном хозяйстве, стало возможным комплексно исследовать все накопленные данные.
При решении задач в ГИС, связанных с анализом динамики площадей и их характеристик, появляется временная характеристика. Таким образом, ГИС может выполнять операции не только над пространственно размещенными данными, но и следить за изменениями во времени. Применительно к лесному хозяйству такого рода исследований выполнено очень мало, хотя данное направление является перспективным и актуальным на сегодняшний день. Основной причиной является трудоемкость в сборе и обработке лесо-таксационных материалов для создания ГИС-системы. При наличии этих данных с помощью современных методов и моделей анализа, учитывающих динамику таксационных показателей насаждений и воздействие хозяйственных мероприятий, можно прогнозировать динамику лесного фонда.
Данное диссертационное исследование направлено на совершенствование ведения лесного хозяйства в Лисинском учебно-опытном лесхозе и учета лесных ресурсов с применением ГИС и GPS-технологий, а также методов математического и 3D моделирования.
Опыт применения ГИС в лесном хозяйстве и лесоустройстве
Проф. М.М. Орлов считал, что лесоустройство — "совокупность технических действий, имеющих своей целью составление- плана хозяйства для данной дачи". Также он говорил: "работа по составлению плана лесного хозяйства является первой и неотложной, когда решено вести в той или иной даче правильное хозяйство". "Только при наличности плана лесного хозяйства возможно сохранить непрерывность в развитии и совершенствовании хозяйства..."[82]. И по сей день главными материалами лесоустройства являются плановые картографические материалы и таксациионные описания, которые составляют картографическую и тематическую основу для создания ГИС.
Первые упоминания о ГИС для лесного хозяйства появились в 1993-1994 годах, в которых дается описание структуры и функций геоинформационных систем [108]. А.Д. Китов и B.C. Михеев одни из первых выполнили систематизацию программных средств ГИС и направлений их развития [52].
В.В. Корякин предложил методику повышения эффективности работы лесного комплекса [57]. Главной задачей, по его мнению, является создание и эффективное использование цифровых лесных карт. Именно в цифровом виде карта представляет ценность, так как может быть использована любыми заинтересованными ведомствами.
В период с 1993 по 1997 год были разработаны геоинформационные системы для решения задач лесхозов. Поэтому все ГИС разработаны на ос нове ГИС-пакетов, но выполняли разные функции, обладали разными интерфейсами и инструментами.
Так, Комитет по лесному хозяйству Чувашской Республики поставил задачу по созданию единой таксациоино-картографической базы данных всех лесхозов. В 1993 году было принято решение о внедрении ГИС "Лесной фонд" И В Республике Беларусь была разработана собственная ГИС "Лесные ресурсы" на основе "Formap" (НПООО "Белинвестлес") и для работы с ней программные модули [18]. Главной отличительной чертой является возможность одновременной работы с картографической информацией и базой данных.
В Хабаровском крае с 1995 года была внедрена в эксплуатацию геоинформационная система модельного леса Гассинский [100]. Разработанная ГИС "ЛесГНС" на базе ГИС Maplnfo Западно-Сибирским лесоустроительным предприятием позволила полностью перейти на создание совмещенных баз данных по всем устроенным в 1997 году лесхозам Ханты-Мансийского автономного округа [60, 61, 62].
В 1998 году были начаты работы по созданию информационной системы в Красноярском крае [104]. В итоге созданы совмещенные базы данных для лесхозов края. В 1999 году A.M. Берлянт в своей статье пишет о создании геоинформационной системе ресурсного типа ГИС "Черное море", которая позволяет выполнять численный корреляционный анализ карт, анализ изменений динамических показателей и др. [22].
Гис "Леса ООЛ региона", приведенная А.В. Любимовым и др. [67], отличается сетевым принципом ее построения и функционирования, который реализован посредством иерархической структуры. Преимуществом такой ГИС является доступность данных для пользователей, а также возможность постоянного пополнения тематических и картографических баз данных. Открытость баз данных определяется для пользователей на уровне паролей.
Начиная с 1996 года, в ПетрГУ ведутся работы по внедрению ГИС. ТО.Ю. Герасимов и др. создали географическую информационную базу данных по особо охраняемым территориям Республики Карелия в пакете Map-Info [32]. Для повышения эффективности работы машино-тракторного парка республики разработали систему для сбора, обработки, анализа информации о наличии и использовании машин и механизмов.
С учетом сложности лесных экологических задач Украинским научно-исследовательским институтом лесного хозяйства (УкрНИИЛХ) была выбрана британская геоинформационная система Smallworld GIS (SmallWorld LTD). Данная система, по мнению разработчиков, более приспособлена для решения специализированных задач для лесного хозяйства [24].
В связи с тем, что для организации учета и управления лесными ресурсами требовалась единая геоинформационная система, в 1996 году была разработана лесоустроительная ГИС (ЛУГИС), комплекс совмещенных тематических (подсистема ПЕТЛЕСПРО) и картографических баз данных (WINGIS) [117,103,115]. Также разработан к комплексу ЛУГИС блок для нужд лесного хозяйства, представленный в виде подсистемы ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО.
На основе пакета WINGIS разработанная ГИС-система (ЛУГИС) Северо-Западным лесоустроительным предприятием была внедрена в опытном порядке во всех лесхозах Чувашии, в Московской, Нижегородской, Липецкой, Челябинской, Ленинградской областей [63]. А 9 июня 1998 года Приказом № 92 Федеральная служба лесного хозяйства России приняла в эксплуатацию автоматизированную лесоустроительную геоинформационную систему [48].
Б.Д. Романюк предложил концепцию по разработке автоматизированных рабочих мест (АРМ), которые позволят решать специализированные задачи и получать актуализированные повыдельные данные [101].
В.И. Архипов, В.И. Березин, Е.С. Мурахтанов и др. предложили подход и выполнили ландшафтно-географическое районирование территории. Данный метод позволяет обоснованно выделять постоянные природные границы лесотаксационных выделов. По полученным и систематизированным материалам разработана геоинформационная система на основе ЛУГИС по Крас-носелькупскому лесхозу, получены картографическая и тематическая база данных лесного и земельного фонда [16].
В.Л. Черных и В.В. Сысуева [125] подробно рассматривают автоматизированную систему "Лесные ресурсы", автоматизированное рабочее место "Лесопользование", "Лесфонд", подсистему лесного хозяйства ЛУГИС-ЛХ, имитационные модели, используемые для исследования хода роста древосто-ев (имитационная модель "Сосна"), комплекс программ материально-денежной оценки лесосек. Провели анализ этих программных продуктов, их применение, выделили основные направления информатизации лесного хозяйства, принципы и требования к геоинформационным системам отрасли.
А.В. Любимов привел подробную характеристику ГИС, выполнил анализ истории их развития, показал принципы ввода графической информации (сканирование, оцифровка ручная и автоматизированная), представил методы анализа пространственно определенной информации, проанализировал форматы, в которых хранятся векторные и растровые данные [66].
В 1998 году начинают использоваться новые технологии. Помимо получивших широкое применение ГИС-технологий, приходят GPS-технологии и автоматизированные системы обработки данных дистанционного зондирования Земли [107]. Создан экспериментальный банк данных ГИС "Леса России" с использованием данных дистанционного зондирования со спутников и комплекса методов оценки динамиїси лесов. В ГИС "Лесные ресурсы" стало возможным применение данных, полученных с использованием аэрокосмических методов и технологий дистанционного зондирования для мониторинга лесов, лесоустройства и др. задач [107].
ГИС повышают требования к созданию планово-картографического материала. В связи с этим возникает необходимость в получении оперативной и точной актуализированной информации о пространственном размещении природных объектов.
Объект исследования
Для осуществления географической привязки картографических материалов использовались данные, полученные с помощью GPS-приемника. Все координаты точек были получены непосредственно на местности в Лисин-ском учебно-опытном лесхозе во время полевых изысканий.
Для выполнения работы определены технические и программные средства. Выбраны GPS-приемник, портативный компьютер и программное обеспечение совместимое с выбранным оборудованием.
Разработана методика выполнения работы, которая состоит из следующих этапов: методика проведения замеров координат и высотной отметки; методика проведения анализа полученных результатов; методика построения 3D модели рельефа территории с применением GPS-технологий.
Параллельно изучена возможность построения 3D модели рельефа территории Лисинского учебпо-опытпого лесхоза при использовании GPS. Это возможно при наличии третьей составляющей Z, помимо коордипат X и Y, которая является высотыой отметкой над уровнем моря. 3D модель рельефа территории построена с использованием геоинформационной системы.
Для апробации разработанной методики, осуществлены полевые работы, которые включают в себя: выбор опорных точек и характерных объектов лесного хозяйства, которые могут быть точечными (отделы-то стоящее дерево), линейными (лесные дороги) и площадными (лесотаксационные выдела, кварталы). Полученные результаты проверены и систематизированы, после чего выполнен анализ данных. Оценены ошибки определения положения объектов лесного хозяйства и проанализирована точность лесных карт (планов лесонасаждений, планшетов, карт-схем лесхозов)
Лисинский учебно-опытный лесхоз расположен в 50 км к юго-востоку от Санкт-Петербурга в центральной части Тосненского административного района Ленинградской области. Территория лесхоза представляет собой компактный лесной массив протяженностью с севера на юг 34 км и с запада на восток 18 км. Общая площадь лесхоза, по данным лесоустройства 1993 г., составляет 28 384 га- Территория лесхоза граничит на севере и востоке с землями АО «Федоровское» и Лисинского лесхоз-техникума, на юге — с Лю # банским лесхозом и АО «Марьино», на западе — с Гатчинским лесхозом.
Контора лесхоза находится в поселке Лисино-Корпус. Лисинский учебно-опытный лесхоз разделен на 3 лесничества: Лисинское (10027 га), м Перинское (7753 га) и Кастенское (10 604 га),
В целях удобства использования прежних плановых и других материалов в лесхозе сохранено существовавшее ранее деление территории на лесные дачи (табл. 2Л). Основу массива составляет Лисинская лесная дача (206 кварталов) с приписанными к ней в разное время Ижоро-Тосиенской (16 кварталов), Машинской (18 кварталов) и Гришкинской (29 кварталов) дача ми. С этой же целью и нумерация кварталов сохранена с 1856 г. по каждой даче отдельно независимо от границ лесничеств. Размеры кварталов таюке сохранены прежние— 1x1 км (точнее, верста на версту, или 1067x1067 м) и 0,5x0,5 км (Гришкияская дача).
В соответствии с принятым лесорастительным районированием (Кур-наев, 1974) территория Лисинского учебно-опытного лесхоза относится к западному округу подзоны южной тайги зоны хвойных лесов.
В целом, климат района лесхоза характеризуется как умеренный, который формируется под воздействием холодных воздушных масс, поступающих из Арктики, и более теплых воздушных масс Атлантики. Значительное влияние на климат района оказывает близость Балтийского моря и Ладожского озера, В связи с этим, общий температурный режим района несколько сглажен; лето умеренно теплое, а зима умеренно холодная. Зимой морозы часто сменяются оттепелями, а в летние месяцы нередки значительные похолодания, сопровождаемые осадками.
Модель динамики перехода земель из категории в категорию
Значительный вклад для Лисино внес ДМ. Кравчинский в период с 1888 по 1918 годы, он указал хозяйству пути развития, ввел новую классификацию насаждений, по которой было образовано пять хозяйств, В каждом из пяти хозяйств был назначен свой способ рубки и возобновления. В результате чего перевод ельников в березняки и осинники прекратился.
В 1922 году Лисинская, Ижоро-Тосненская и Машинская дачи были объединены в Лисинское учебно-опытное лесничество.
В военные годы с 1941 по 1944 годы лесной фонд пострадал из-за бессистемных рубок немцев и в ходе боевых действий, было срублено око ло 300 тыс.м древесины, в основном вблизи населенных пунктов и дорог. Произошло распространение короедных очагов.
Во время войны немцами были уничтожены безвозвратно многие документы по ведению хозяйства в лесхозе, которые представляли большую ценность для науки. В связи с продовольственными трудностями в послевоенные годы на территории лесхоза были созданы пашни и сенокосы.
Период с 1963 года по 1993 год. Период с 1963 года по 1993 год характеризуется следующими событиями: В 1953 году после проведения обследования лесоустроителями доля лиственных насаждений по площади составляла 37э5%, к 1973 году снизилась до 30,1%, а к 1983 году - до 29,6% [47].
В I960 году был выполнен перевод всех лесов Лисинского лесхоза в зеленую зону и первую группу. Это привело к увеличению площади и доли постепенных и выборочных рубок.
На сегодняшний момент площадь и доля перестойных древостоев неуклонно растет. Расчетная лесосека полностью не выбирается.
Из вышесказанного очевидно, что деятельность лесхоза соответствует потребностям народного хозяйства для рассмотренных периодов. Так для периода с 1841 года по 1891 год удовлетворялась потребность в березовых дровах. В военный период при бессистемных рубках вырубались хвойные насаждения вблизи дорог и поселков. Период с 1963 года по 1993 год характеризуется сокращением доли лиственных насаждений. В целом, можно сделать вывод, что лесхоз стабильно и динамично развивается.
По результатам анализа имеющихся картографических материалов Лисинского УОЛХ можно сделать следующие выводы: 1. Лесхоз обладает современными очертаниями на плане 1963 года. 2. Площадь лесхоза увеличивалась с 1841 по 1963 год и составила 27.64% по сравнению с 1841 годом, и до 1993 года изменения составляли величину менее 1%. 3. Периметр лесхоза возрастал и к 1993 году увеличился более чем на 25%s что связано с увеличением площади лесхоза. 4. Доля .площади хвойных пород в составе лесного фонда Лисинского УОЛХ оставалась приблизительно постоянной, около величины в 57%. 5. Происходило сокращение доли площади лиственных пород, с 41 до 33%3 и рост долей площади непокрытых лесом (с 0 до 2.3%) и нелесных земель (с 1.2 до 6.7%). 6. В целом, динамика структуры площадей лесного фонда Лисинского лесхоза может рассматриваться, как идущая в положительном направлении. 7. Массивы лиственных и хвойных пород, ранее существовавшие более или менее раздельно, с течением времени пространственно смешиваются, 8. Прослеживается во времени явление усиливающейся фрагментации лесного растителвного покрова, его расчленение на все более мелкие по площади части - фрагменты. 9. Между 1841 и 1891 годами сосна и ель поменялись местами по доле площади в составе группы хвойных пород; в 1841 году преобладала ель, занимая около 70% площади, в то время, как сосна-30%? в 1891 году они поменялись местами. В последующий период времени их доли в площади хвойных почти сравнялись при небольшом преобладании доли древостоев ели,
10. В связи с улучшением качества картографического материала и сис темы учета процент расхождения между официальными данными и данными площадей, полученными в ходе анализа картографических материалов, значительно уменьшился с 6,45 до 0,35% для площадей лесхоза, с 10,79 до 2,38% для площадей, занятых лиственными наса ждениями, и с 5,04 по 0,89% для хвойных.
11 Созданы модели переходов из категории земель в категорию на ос нове картографических материалов и рассчитаны коэффициенты скоростей переходов. Наиболее высокие скорости переходов для пе риода с 1841 по 1891 годы соответствуют для перехода из листвен ных насаждений в непокрытые и нелесные земли (0,053 1 /период и 0,061 1/период соответственно). В период с 1891 по 1963 год с наи высшей скоростью (0?52 1/период) происходит переход из непокры тых лесом в нелесные земли. А в период с 1963 по 1993 год нелесные земли переходили в категорию непокрытых лесом с наивысшей ско ростью 0?16 1/пери.од.
Анализ связи формы поверхности рельефа, структуры и продуктивности лесного растительного покрова
Цифровые моделрг рельефа могут быть получены несколькими способами: на основе данных радиометра ASTER, с ПОМОЇЦЬЮ GPS-технологий и традиционными методами геодезической сьемки. Области применения цифровых моделей рельефа (ЦМР) очень разнообразны. Среди них можно отметить следующие [137]: 1. Определение границ водоразделов и получение их дренажной сети. 2. Вычисление уклонов и экспозиции склонов, что важно в строительстве дорог и продуктопроводов, сельском хозяйстве при выборе полей под культуры с разными требованиями к освеїденности и др. 3. Анализ поверхностного стока на территории. 4. Моделирование затопления территорий. 106 5. Анализ видимости, который используют при планировании коммуникационных сетей и в военном деле. 6. Ортокоррекция изображений. 7. Измерение площадей и объемов, получение профилей поверхности. 8. Просмотр данных в трех измерениях, создание виртуальных полетов над местностью и светотеневых моделей. 9. Геометрическая, радиометрическая и атмосферная коррекция снимков. Существует несколько способов построение 3D модели поверхности рельефа [143]. Основными методами построение 3D моделей в Vertical Mapper являются [151]: IDW (Inverse Distance Weighting), интерполяционный метод средневзвешенных с весами, обратно пропорциональными расстоянию. - TIN (Triangulation with smoothing), интерполяционный метод, в котором создается сеть из треугольников, используя каждую точку данных для создания вершин треугольника. Содержимое ячейки рассчитывается по этим трем гочкам, которые составляют треугольник. - Natural Neighbour, интерполяционный метод, в котором создаются области вокруг каждой точки данных и каждой ячейки сетки. - Rectangular, интерполяционный метод, в котором вес ячейки сетки рассчитывается от самой близкой точки данных, найденной в каждом из этих четырех секторов вокруг ячейки. В ходе построения тематических карт было выявлено, что по имеющимся данным можно построить модель рельефа при использовании двух интерполяционных методов: IDW и TIN.
Возможность трехмерного отображения основана на реализации графического интерфейса OpenGL в версии Microsoft. OpenGL поддерживает произвольное вращение и повороты объекта в окне, а также традиционные инструменты сдвига, масштабирования и извлечения информации, что позволяет создать трехмерное представление любой карты,
В трех измерениях можно представлять не только земной рельеф, но и стоимость жилья, уровень продаж по территориям, плотность населения, температуру воздуха и т.п.
Основой для 3D модели поверхности рельефа служит тематический слой. Поверхность - это непрерывный растровый массив, порождаемый интерполяцией точечных данных [143]. MapTnfo Professional извлекает данные или выражения из колонки таблицы и передает их в интерполятор. Интерполятор создает растровый файл поверхности, который отображается в окне Карты. 3D модель поверхности рельефа оптимально отображается при установке цветовой палитры экрана Windows, обеспечивающей передачу более 16 миллионов цветов. Также 3D модель поверхности рельефа может быть отображена в виде каркасной или сеточной модели. Здесь можно визуально оценить сложность рельефа по степени разбиения на простейшие фигуры (треугольники).
Для построения 3D модели поверхности рельефа необходимы данные, содержащие, помимо географических объектов, высотную отметку. Такие данные содержатся на топографических планах.
На основе плана в горизонталях и отметок точек, полученных с топографической карты Ленинградской области масштаба 1:100000 (Рис. 4.8) и топографической карты Лисинского УОЛХ (Рис. 4.9), построены 3D модель поверхности местности- 3D модель рельефа, созданная интерполяционным методом средневзвешенных с весами, обратно пропорциональными расстоянию IDW (Inverse Distance Weighting) [143, 146].(Рис. 4.10).
