Использование ГИС в лесном хозяйстве и лесной промышленности

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет»

Институт естественных наук

Кафедра экологии и природопользования

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Территориально-экологическое планирование»

На тему: «Использование ГИС в лесном хозяйстве и лесной промышленности»

Выполнил:

Студент группы ЭПбп-141

Булахтин В.П.

Проверил:

Доцент, д.н. Рулёва О. В.

Волгоград - 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

В настоящее время ГИС-технологии активно внедряются в лесном хозяйстве, прежде всего в лесоустройстве, при систематическом обновлении информационной базы лесного фонда и лесных ресурсов, ведении лесного реестра, организации мониторинга, контроле за лесоэксплуатацией.

Для работы с пространственно распределенной информацией используют геоинформационные системы (ГИС), обеспечивающие сбор, хранение, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных. Геоинформационная система содержит сведения о пространственно выраженных объектах в форме их цифровых векторных, растровых и других представлений.

Рациональное использование, воспроизводство, охрана и защита, повышение продуктивности лесов – это сложная и требующая срочного решения задача. Планы и решения по сбережению и рациональному использованию лесных ресурсов и их эксплуатации нередко противоречивы и принимаются в обстановке столкновения интересов и с высокой степенью неопределенности. Географические информационные системы дают возможность людям, занимающимся лесным хозяйством, интегрировать и использовать имеющиеся источники картографической и табличной информации для повышения качества принимаемых решений.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ГИС В ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО

ГИС-технологии – это мощный набор программных средств для создания и редактирования географических баз данных, для целей пространственного анализа, поиска, представления и управления данными. Эти средства могут использоваться для поддержки разнообразных функций управления лесными ресурсами, в т. ч. разработки долговременной стратегии поставок древесины, составления прогнозов динамики запасов, выбора системы лесозаготовки, проведения визуального ландшафтного анализа с наложением делянок, решения споров относительно границ собственности, установления границ естественных местообитаний, моделирования сценариев распространения лесных пожаров, осуществления тактического планирования по тушению пожаров и т. д.

Первый опыт создания ГИС связан с разработками, выполненными в начале 1960-х годов в Канаде по заданию Министерства лесного хозяйства и сельского развития. Для этих целей было создано отделение информационных систем регионального планирования, которое в течение 1963−1971 гг. разработало первую лесную ГИС. Аналогичные работы выполнялись в Швеции, однако здесь основные акценты были сделаны на учете земельных ресурсов. В середине 1970-х здесь было разработано 12 геоинформационных систем. Расширению возможностей ГИС способствовало освоение новых источников данных для геоинформационных систем, таких как материалы дистанционного зондирования и данные глобальной системы позиционирования GPS (Global Positioning System). В СССР развитие геоинформационных технологий было связано с научными исследованиями и внедрением в производство разработок ВО «Леспроект» в начале 70-х годов прошлого столетия. Здесь работы были связаны с обоснованием технологий автоматизированной обработки и дешифрирования космо- и аэрофотоснимков для целей инвентаризации лесов и лесоустройства. Это позволило к 1983 г. создать технологию оформления лесных карт, в дальнейшем явившейся основой информационных систем с базой данных и возможностью распечатки лесоустроительных планшетов. В этом же направлении происходило развитие цифровой картографии в Поволжском лесоустроительном предприятии.

Использование ГИС при планировании управления на уровне лесосеки (делянки) при лесозаготовках основывается на возможности их применения для целей пространственного моделирования. Пространственные модели лесов используют как абсолютные, так и относительные географические привязки лесных массивов в проектировании и проверке стратегий лесозаготовок как части процесса планирования лесного хозяйства. ГИС позволяет учесть размещение отдельных лесонасаждений, разработать графики лесозаготовок, отобразить разработки в картографическом виде. Одновременно с этим географическая привязка участков позволяет учесть экономические и физико-географические особенности участков.

Применение ГИС существенно облегчает проектирование лесных дорог в части оценки альтернативных вариантов дорожной сети, учитывающих место положение, время строительства, строительные стандарты дорожной сети и другие факторы. Планирование дорожной сети в лесу определяет надежность оценок возможных годовых объемов лесозаготовки. В сочетании с характеристиками лесонасаждений, такими как видовой состав и запасы деловой древесины, ГИС-технологии обеспечивают оперативный анализ выгодности проекта строительства дороги на основе экономических оценок, учитывающих затраты и эффект от строительства. Одновременно решаются другие прикладные задачи, такие как анализ устойчивости дорожного полотна и склонов с учетом рельефа местности и характера почвогрунтов, расчеты объемов выемки и насыпи грунта, анализ просматриваемости, оценка воздействия на природную среду, анализ потоков транспортных средств и др.

Дистанционное зондирование для целей оценки лесоресурсного потенциала также включает элементы ГИС-технологий. Очевидна потенциальная значимость цифровой информации дистанционного зондирования для обновления характеристик лесного фонда. В то же время, чтобы практически использовать этот ценный источник информации, данные спутниковых изображений, полученных, например, на основе обработки космических снимков в среде ERDAS, должны получить географическую привязку и быть откорректированы с учетом рельефа и связаны с такой технологической инфраструктурой, как ГИС. Подобный подход целесообразен при решении задач планирования лесопользования в условиях недостатка информации о состоянии лесного фонда, проблем, связанных с первичными лесами и др.

Интегрированное управление ресурсами предполагает использование разнообразных источников данных и процедуры комплексного анализа, обычно в больших временных рамках и для обширных лесных территорий. Основная цель состоит в том, чтобы создать план освоения, приемлемый с точки зрения лесоводства, лесоэксплуатации, охраны окружающей среды. Основой плана служит исчерпывающая характеристика лесного фонда, данные о приросте и т.п. Другие показатели, интегрированные с базой данных, включают характеристики возможного воздействия на малонарушенные леса, зоны рекреации, водные ресурсы, биоразнообразие, аттрактивность ландшафта. ГИС позволяет интегрировать все эти характеристики для объективной оценки и проверки альтернативных вариантов освоения. Возможность интеграции множества видов цифровых данных, включая управление базами данных, растровых систем, данных глобального позиционирования (GPS) позволяет использовать существующие возможности и системы управления базами данных для поддержки прикладных задач лесного хозяйства.

Все вышеизложенное позволяет считать целесообразным использование ГИС-технологий в лесном хозяйстве, а также методов и способов ГИС для организации рационального, непрерывного, неистощимого и устойчивого лесопользования.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГИС

Среди программных средств имеется большое количество отечественных и зарубежных пакетов программно-технологических комплексов для реализации идей ГИС-технологий, которые постоянно обновляются. В настоящее время имеется широкий выбор инструментальных пакетов программного обеспечения ГИС. Все они отличаются как назначениями, так и требуемыми ресурсами. Ниже приводится краткий обзор ГИС, использовавшихся и используемых в лесном хозяйстве и при проведении лесоводственных и таксационных исследований.

ЛУГИС − автоматизированная компьютерная геоинформационная система, включающая подсистемы для лесоустройства, лесного хозяйства и лесопользователей − ЛУГИС-ЛХ, управления лесным комплексом − WinEKO. В 1988 г. система была утверждена в качестве геоинформационной системы для лесоустройства и компьютерной поддержки ведения лесного хозяйства и организации лесопользования в Ленинградской и Новгородской областях.

GeoGraph/GeoDraw (разработчик − ЦГИ ИГ РАН) − отечественный векторный топологический редактор для создания цифровых карт. Система, использовавшаяся в Восточной Сибири, Поволжье, Прибайкалье, Вологодской и Архангельской областях, Республике Коми для решения вопросов организации и ведения лесного хозяйства, проведения лесоустроительных работ на региональном и локальном уровне в производственном масштабе. GeoGraph для Windows − отечественная ГИС уровня конечного пользователя, позволяющая осуществлять некоторый универсальный общий набор функций ГИС, удовлетворяющий большинство пользователей в различных предметных областях. GeoGraph для Windows позволяет создавать электронные карты или атласы как композиции картографических слоев, выбираемых пользователем (включая векторные и растровые), и связанных с ними таблиц и баз данных, загружать в карту одновременно множество слоев различных форматов, создавать пространственные объекты (точечные, линейные, полигональные) в виде слоев с привязкой к ним таблиц атрибутивных данных, создавать и связывать со слоями цифровых карт множества таблиц, форм для вывода информации об объектах, запросов, тем, графиков и надписей.

Пакет ГИС MapInfo (MapInfo Corporation, Нью-Йорк, США) предназначен для картографической визуализации оцифрованных массивов векторных данных и используется для создания, преобразований и анализа тематических карт стран, регионов, городов и т. д. Введенная в MapInfo карта может быть отображена различными способами, в том числе в виде таблиц, графиков и диаграмм, а также в виде комплексных карт, скомпонованных вместе с легендами, заголовками и другими картографическими атрибутами. Система MapInfo позволяет отображать различные данные, имеющие пространственную привязку. Она относится к классу DesktopGIS. Система дает возможность создавать интегрированные геоинформационные технологии Intergraph MapInfo для DOS, Windows, Windows NT, UNIX, геоинформационные системы, цифровые картографические системы, программные и технические средства формирования и анализа геоинформационных баз данных. По данным большинства обзоров, MapInfo является одним из самым распространенных пакетов для создания различных прикладных ГИС.

Набор универсальных картографических и статистических функций позволяет использовать MapInfo в муниципальном и региональном управлении, полиции, пожарной охране, экологии и других сферах деятельности. Это определило широкое использование данного продукта и в лесном хозяйстве в Западной и Восточной Сибири, Поволжье, Прибайкалье, Вологодской области для целей лесного картографирования, проведения лесоустроительных работ, лесоуправления на региональном и локальном уровне в производственном масштабе.

ГИС TopoL-L состоит из базового продукта ГИС TopoL (Чехия), который работает с картографией и программной надстройки «ЛесИС» (L) для работы с таксационными данными. Обе подсистемы могут работать как совместно, так и раздельно, т. к. являются самодостаточными, самостоятельными продуктами.

Программный комплекс TopoL-L сконструирован для обеспечения работы с базами данных любого уровня управления отраслью – от повыдельных баз данных для арендаторов до баз данных лесничеств и регионов для сотрудников региональных и федеральных органов власти в области лесных отношений. Первоначально система использовалась при проведении лесоустройства, для целей лесоуправления в Московской, Костромской и Тверской области. В дальнейшем география использования данного продукта существенно расширилась.

Система TopoL представляет собой универсальную геоинформационную программу, используемую во многих отраслях для решения разнообразных прикладных задач, локализованную для применения в России. Программный продукт позволяет выполнять весь комплекс работ по созданию, редактированию, анализу и использованию цифровых карт местности. Ввод пространственной информации осуществляется любыми известными способами − дигитайзером, по отсканированным изображениям, по геоданным. Анализ атрибутивной и пространственной информации и визуализации результатов выполняется всеми стандартными методами − поиском, построением запросов, формированием тематических карт, включая использование диаграмм. При сравнительно невысокой стоимости она позволяет решать не только большинство задач ГИС, но и задачи анализа данных дистанционного зондирования.

ArcGIS − семейство программных продуктов американской компании ESRI, одного из лидеров мирового рынка геоинформационных систем.

ArcViewGIS − это мощный, легкий в использовании инструмент для обеспечения доступа к географической информации 3

ArcView дает широкие возможности для отображения, изучения, выполнения запросов и анализа пространственных данных. ArcView разработан Институтом исследований систем окружающей среды (Environmental Systems Research Institute, ESRI), изготовителем

ArcInfo − ведущего программного обеспечения для географических информационных систем. Интегрированный пакет ArcInfo − типичное инструментальное средство для разработки и эксплуатации ГИС широкого назначения. Он предназначен для создания геоинформационных систем и обеспечивает ввод, обработку, анализ данных и составление географических карт с использованием персонального компьютера. ArcView позволяет визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объемы статистической информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. ArcView применим в основном для простого анализа, выборки, статистики, а также для представления данных и оформления вывода на печать. Главная особенность

ArcView − простота загрузки табличных данных типа файлов dBASE и данных с серверов баз, для отображения, запросов, обработки и организации таких данных в удобном для восприятия и анализа виде. У ArcView удобный, многооконный интерфейс, а у ArcInfo − командная строка. На начальном этапе данные программные продукты использовались в основном в исследовательских целях, для осуществления лесного мониторинга, лесопожарного мониторинга во ВНИИЛМЕ, Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, Международном институте леса, предприятиях Авиалесоохраны.

СУБД-L – система управления базами данных в лесном хозяйстве. Является прототипом СОЛИ-1 (система обработки лесоустроительной информации), использовавшейся в лесоустройстве Центролеспроектом с 1990 г.

ПЕТРОЛЕСПРО (PLP) – система управления базами данных в лесном хозяйстве. Это подсистема ЛУГИС, упоминавшейся выше. Является прототипом системы обработки лесоустроительной информации СОЛИ-2, ранее использовавшейся в лесоустройстве.

АСУЛР − автоматизированная система управления лесными ресурсами. Предназначена для работы с данными учета лесного фонда.

ГЛАВА 3. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ НА БАЗЕ ГИС 

Мониторинг – это наблюдение за состоянием окружающей среды (атмосферы, гидросферы, почвенного и растительного покрова, а также техногенных систем) с целью ее контроля, прогноза и охраны. Различают глобальный, региональный и локальный уровни мониторинга. Мониторинг проводится с помощью телевизионных изображений, аэро- и космоснимков, а также путем сбора данных с наземных и морских станций. Космический мониторинг позволяет оперативно выявлять очаги и характер изменений окружающей среды, прослеживать интенсивность процессов и амплитуды экологических сдвигов, изучать взаимодействие техногенных систем. ГИС обеспечивает оперативное обновление исходной информации об объекте, что свидетельствует о целесообразности использования ГИС-технологий при реализации идей мониторинга, в т. ч. и лесного, под которым понимается система наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда. Система мониторинга, проводимая с известной периодичностью, должна удовлетворять потребность пользователей в информации в зависимости от направления мониторинга (например, лесопожарного, лесопатологического, лесопромышленного, лесохозяйственного). В то же время она базируется на таксационных и лесоводственных методах исследования. При этом, в зависимости от целей и задач, детализация лесоводственно-таксационных методов может быть различной, а сами методы достаточно сложными и трудоемкими, например, при мониторинге малонарушенных насаждений.

При решении такой задачи прежде всего необходимо установить принципиальную возможность отнесения экспериментальных участков к малонарушенным. Важнейшее условие − ненарушенность насаждений под воздействием каких-либо антропогенных воздействий в последние десятилетия. Кроме этого, должно быть обеспечено сохранение опытных участков в качестве объектов мониторинга в будущем. В мониторинговых насаждениях недопустимы никакие воздействия человека. Постоянные пробные площади закладываются в типичных климатических и почвенных (лесорастительных) условиях и типах леса. Желательно выделение четырех групп сукцессионных стадий (фаз):

1) возобновительная фаза, например, после лесных пожаров, ветровалов,

буреломов, после вспышек болезней и вредителей;

2) фаза молодняков;

3) фаза спелых насаждений;

4) фаза распада.

Прежде всего, планируется закладка таких объектов на минеральных почвах. Позднее возможно включение насаждений на торфяных почвах и насаждений других типов леса. Насаждения для мониторинга должны представлять собой типичные примеры определенных типов растительных условий и типов леса в конкретной растительной зоне. Минимальная площадь насаждения – 2 га.

Целью является закладка, по возможности, наиболее полной серии типов лесорастительных условий, типов леса и сукцессионных фаз в различных растительных зонах. Следует также учитывать возможность доступа к мониторинговым насаждениям.

Самостоятельным вопросом является размещение пробных площадей в границах насаждения. Предлагается закладывать круговые пробные площади. В каждом насаждении рекомендуется закладка двух различных кластеров пробных площадей. Первый кластер представлен пробными площадями с учтенными на них крупными деревьями, диаметр которых на высоте груди превышает 50 мм. На этой же территории закладывается кластер пробных площадей, на которых учитываются мелкие деревья (их высота более 0,5 м, а диаметр на высоте груди менее 50 мм) и подрост.

За мелкими деревьями и подростом наблюдения проводятся на девяти круговых пробных площадях одинакового размера. Их радиус 5,64 м, а площадь − 100 м2.Каждая пробная площадь разделена на 20 одинаковых по площади секций. Учет мелких деревьев и подроста выполняется отдельно на каждой секции. Кластер пробных площадей организован следующим образом. Центральная пробная площадь находится на пересечении линий, ориентированных по странам света. Центры четырех пробных площадей располагаются на расстоянии 22,36 м от точки пересечения линий и, соответственно, от центра первой пробной площади. Центры еще четырех пробных площадей располагаются на расстоянии 70,71 м от центра первой пробной площади и являются центрами пробных площадей для мониторинга крупных деревьев.

Учет деревьев с диаметрами на высоте груди более 50 мм осуществляется на пяти круговых площадях. Центральная круговая пробная площадь находится в точке пересечения ориентированных по странам света линиях. Четыре сателлитные пробные площади располагаются на данных линиях на расстоянии 70,71 м от центральной пробной площади. При закладке таких кластеров должно быть обеспечено сохранение буферной зоны вокруг них шириной не менее 10 м. Если это условие не выполняется, то удаление сателлитных пробных площадей от центральной пробной площади уменьшается до 60, 50, 40 м. Если и в этом случае буферная зона не может быть обеспечена, то кластер на данном участке не рекомендуется закладывать вообще.

Размеры центральной пробной площади для учета деревьев с диаметром на высоте груди более 50 мм устанавливаются в зависимости от густоты таких деревьев на участке (табл. 1).

Таблица 1 - Размеры центральных в кластере пробных площадей в древостоях с различной густотой

Радиус и площадь сателлитных пробных площадей устанавливаются в зависимости от количества крупных деревьев (диаметр на высоте груди более 50 мм) на центральной пробной площади (табл. 2).

Таблица 2 - Размеры сателлитных в кластере пробных площадей в древостоях с различной густотой

Достаточно четко регламентируется закрепление положения центров пробных площадей на местности. Так, рекомендуется отмечать центры пробных площадей столбиками (брусками) сечением 50 х 50 мм из древесины хвойных пород, если возможно из лиственницы. Высота столбика над поверхностью земли 75−100 см. Верх столбика, 30 см, рекомендуется покрасить. Номер эксперимента указывается на южной стороне столбика, а номер центральной пробной площади − на его северной стороне. Номера других пробных площадей указываются на верхней (торцевой) части столбика. При указании номера пробной площади эксперимента можно ограничиться указанием только последней цифры номера.

В случае если в одном и том же выделе будут расположены три или более кластеров, закладка сателлитных пробных площадей и соответствующих им пробных площадей для учета мелких деревьев и подроста необязательна. В этом случае допускается, что на центральных пробных площадях будет получено достаточно информации об изменчивости деревьев и подроста.

Крупные деревья отмечаются горизонтальной линией длиной 10−15 см на высоте 1,3 м со стороны, направленной к центру кластера. Деревья идентифицируются определением для каждого из них породы, положения и диаметра на высоте груди. На каждом десятом дереве над отметкой высоты 1,3 м закрашивается кружок диаметром 5 см, начиная с дерева под номером 1.

Разработаны специальные формы (ведомости), в которые вносится общая информация о каждом экспериментальном кластере. Положение каждого кластера должно быть описано достаточно детально для того, чтобы не было затруднений с проведением повторных измерений. Рекомендуется вкладывать в комплекты документов копии карт с указанием на них положения экспериментальных кластеров. Мониторинговые данные, полученные при учете крупных деревьев, и характеристика мелких деревьев и подроста также отражаются в специальных формах.

В общей характеристике эксперимента обязательно должно быть указано, использованы или нет старые пробные площади (опытные участки) или экспериментальный кластер заложен в полном соответствии с руководством по закладке постоянных пробных площадей в ненарушенных лесах. В общей характеристике эксперимента должны быть отражены:

- номер эксперимента (один и  тот же номер не повторяется  дважды);

- порядковый номер измерения;

- номер и размеры пробной  площади;

- уклон участка (приводится, если  уклон превышает 10º);

- экспозиция (СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ, С, изменяющаяся  экспозиция);

- год измерений (две последние  цифры; так, для 1994 указывается 94);

- месяц измерений (так, для июня  указывается 06); день измерений;

- положение пробной площади (описывается положение сателлитны пробных площадей по отношению к центральной пробной площади);

Для записи результатов учета крупных деревьев используется форма, в которой отражена информация о номере эксперимента, исполнителе, дате выполнения учетных работ. Большое значение придается детальному описанию положения деревьев, их размеров и дополнительной информации о состоянии деревьев. Все деревья на пробных площадях нумеруются от центра к периферии слева направо (т. е. по ходу часовой стрелки). Используется радиальная система картирования деревьев. Дерево идентифицируется с помощью указания породы, его положения и размеров. Если используется отличающийся от градусной системы способ, это указывается в форме (например, 1/400; 1/6400; 1/6000 и т. д.). Указывается расстояние от центра пробной площади до центра дерева. Диаметры деревьев измеряются в двух направлениях: по радиусу пробной площади и перпендикулярно к этому радиусу.

Кроме этого, приводится характеристика деревьев по ряду не измеряемых показателей. В их число входит, в частности, положение дерева в пологе (доминирующее, угнетенное, занимающее пограничное положение). Указывается статус дерева: живое, упавшее, мертвое, отсутствующее (только для случая повторных измерений). На центральной пробной площади в систематическом порядке отбираются модельные деревья, по которым будут устанавливаться объемы стволов, а также соотношение протяженности кроны и высоты ствола. Поэтому для каждого из них измеряется высота ствола и высота расположения нижней части кроны. На сателлитных пробных площадях измеряются только диаметры деревьев и характеризуется их положение в пологе. Минимальное количество модельных деревьев устанавливаются в зависимости от количеств деревьев на пробной площади (табл. 3).

Модельные деревья предлагается отбирать по 5-сантиметровым классам толщины деревьев на высоте 1,3 м. В качестве модельных отбираются только живые деревья. В число модельных обязательно включают пять самых крупных по размерам деревьев на пробной площади. Остальные деревья отбираются, как указывалось выше, в систематическом порядке в зависимости от общего количества деревьев на пробной площади. Так, при количестве деревьев на пробной площади 200 и более отбирается каждое четвертое дерево. При количестве деревьев 70−99 − каждое второе и т. д. В 5-сантиметровых градациях предпочтение отдается более крупным по размерам деревьям.

Таблица 3 - Нормативы количества модельных деревьев на пробной площади

Для мертвых деревьев целесообразно принять следующую классификацию: крона полностью отмерла, корневая система полностью отмерла, связь между кроной и корневой системой нарушена (ствол сломан или корни оборваны, кора полностью разрушена).

Внешнее описание деревьев дополняется характеристиками: упавшее дерево; наклонившийся или искривленный ствол; слом ствола, при этом корни и пень в почве; фаутное дерево (гниль ствола, корней); повреждения ствола; слом вершины; изменение вершины, двух- или многовершинность; сброс листьев или хвои с живых ветвей из-за внешних причин; изменение цвета хвои и листьев вследствие недостатка элементов питания, заболеваний, заморозков или аэротехногенного загрязнения; опадение ветвей, если это не типично для данной породы.