Сочетание дистанционных и наземных методов при лесоустройстве
При лесоустройстве применяются несколько методов инвентаризации лесного фонда разной степени точности в зависимости от целевого назначения лесов. Для резервных лесов и других лесных территорий, не вовлекаемых в предстоящей перспективе в хозяйственную деятельность и лесоэксплуатацию применяются дистанционные методы, основанные на камеральном дешифрировании материалов аэрокосмических фотосъемок. Достаточно широкое распространение получил фотостатистический метод инвентаризации лесов. Фотостатистический метод инвентаризации резервных лесов на основе материалов аэрокосмических фотосъемок разработан Всесоюзным объединением <ЛЕСПРОЕКТ> в 1974-76 г.г. (Северо-Западным лесоустроительным предприятием) и предназначен: - для инвентаризации лесного фонда, намечаемого к промышленному освоению за пределами 20-летнего периода; - для определения состояния лесного фонда и потенциальных возможностей использования лесных ресурсов с разработкой проекта мероприятий по охране лесов. Районами применения метода фотостатистической лесоинвентаризации являются территории с простыми по составу и форме насаждениями Крайнего Севера, Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока России.
На рациональном сочетании дистанционных и наземных методов основаны и другие технологии лесоинвентаризации, разработанные предприятием в 80 - 90 годах и используемые в лесоустроительной практике: - повторное лесоустройство по низким разрядам малоосвоенного лесного фонда по материалам космических фотосъемок; - повторное лесоустройство по высоким разрядам освоенного лесного фонда с применением материалов аэрофотосъемок. Принципиальная основа этих методов состоит в учете и оценке текущих изменений в лесном фонде с момента последнего лесоустройства, регистрируемых по материалам космических или аэрофотосъемок с наземной таксацией отдельных категорий земель при высоких разрядах лесоустройства.
Непрерывное лесоустройство
Непрерывное лесоустройство, являясь составной частью системы лесоустроительных действий, призвано обеспечить поддержание информации о лесном фонде в современном состоянии с целью рационального использования лесного фонда и повышения эффективности ведения лесного хозяйства. Предприятие ведет непрерывное лесоустройство в лесхозах с использованием автоматизированной компьютерной системы "ЛУГИС", обеспечивающей поддержание в актуализированном состоянии тематической (таксационное описание) и картографической (план лесничества) баз данных.
При непрерывном лесоустройстве решаются следующие задачи:
количественная и качественная оценка текущих изменений в лесном фонде, вызванных хозяйственной деятельностью и другими факторами (лесные пожары, ураганные ветры, повреждения вредителями и болезнями леса) методом глазомерно-измерительной таксации;
внесение текущих изменений в базы данных лесоустройства;
ежегодная корректировка, с учетом текущих изменений, проекта намеченных базовым лесоустройством лесохозяйственных мероприятий;
составление совместно с лесхозом конкретизированного по участкам плана лесохозяйственных мероприятий на очередной год;
оперативное уточнение информации базового лесоустройства, выполнение различных запросов потребителей о лесном фонде и информационное обеспечение локального мониторинга состояния лесов;
составление учета лесного фонда;
техническое содействие специалистам лесхозов в решении различных нестандартных задач, возникающих в процессе ведения лесного хозяйства.
Установлено, что в сухих условиях коренные типы леса создает сосна, а в качестве производных выступают липняки, дубняки, кленовники и березняки. Восстановление в них сосны заторможено конкурентным влиянием травяного покрова и подлеска, а поселение ели и пихты – недостаточной их засухоустойчивостью. В снытьевых типах коренными являются пихтово-еловые древостои, а производные образованы липой, кленом, ильмом, осиной, березой бородавчатой. В зеленомошных типах с холодными бедными почвами коренные древостои образованы елью, сосной и лиственницей, а производные – березой пушистой
Установлено, что изменения в строении корневых систем сосны и лиственницы в условиях нефтехимического загрязнения проявляются в увеличении корненасыщенности верхних горизонтов почвы, уменьшении доли поглощающих и возрастании количества проводящих корней, что является адаптивной реакцией древесных растений на техногенное воздействие.
Результаты исследований использованы в ряде рекомендаций по ведению лесного хозяйства, лесной рекультивации, созданию и реконструкции санитарно-защитных насаждений промышленных центров.
Лесоустройство и ГИС-технологии
Во времена СССР лесоустройство было централизованной службой, управляемой ВО "Леспроект". Во многих случаях централизованно велась разработка технологий и программного обеспечения для лесоустройства, использовались согласованные стандарты и нормативы. Объем лесоустроительных работ ежегодно распределялся между предприятиями службы, большинство из них имели стабильные регионы деятельности.
После упразднения ВО "Леспроект" лесоустроительные предприятия стали достаточно самостоятельными. Они действуют на основе внутреннего хозрасчета и договариваются с управлениями лесов об объектах лесоустройства, подчас конкурируя между собой. Особенно заметна конкуренция на бурно развивающемся рынке услуг и технологий ГИС.
Каждое из предприятий ежегодно обслуживает несколько лесхозов. В процессе лесоустройства на каждый объект составляются обширные таксационные базы данных (БД), формируются и выводятся на печать различные табличные формы. Компьютерные технологии на многих предприятиях используются уже около 30 лет. Кроме текстовых документов, в состав выходной документации лесоустроительного проекта входят картографические материалы трех масштабных рядов:
1:100 000-1:500 000 - карты лесов лесхоза;
1:20 000-1:50 000 - планы лесонасаждений на каждое лесничество и другие карты на их основе;
1:10 000-1:25 000 - лесоустроительные планшеты - 8-50 (в некоторых регионах и более) на каждое лесничество.
Таким образом, каждое предприятие ежегодно составляет и издает несколько сотен листов различных карт. До недавнего времени эти карты готовились и вычерчивались вручную, использовалась только множительная техника. Сегодня большинство предприятий и экспедиций применяет для составления и издания карт ГИС-технологии.
Лесоустроительные предприятия сами принимают решения о том, какие компьютерные и ГИС-технологии использовать в производственном процессе. Технологии ведения баз лесотаксационных данных создавались централизованно около десяти лет назад. Они успешно используются до настоящего времени, однако чувствуется настоятельная необходимость их приведения к современному уровню программного обеспечения, так как потенциал развития этих DOS-программ в значительной степени исчерпан. Что касается ГИС-технологий, то ряд лесоустроительных предприятий в основном самостоятельно, обычно с привлечением специалистов в данной области, разработали технологии автоматизированного производства карт, учитывающие особенности региона деятельности предприятия. Другие предприятия использовали в качестве основы испытанные технологии коллег, дорабатывая их с учетом конкретных условий и производственного опыта. Надо отметить, что рынок ГИС-технологий для лесоустройства крайне узок, в этом секторе предприятия не чувствуют себя конкурентами, свободно делятся друг с другом технологическими наработками. Федеральная служба лесного хозяйства в централизованном порядке поддерживала некоторые разработки и пыталась повлиять на их внедрение в отрасли, но технологий, которые были бы приняты большинством предприятий, пока не создано.
Системы, используемые в лесоустроительном производстве.
Эти системы непрерывно развиваются, поэтому приведенное описание может не совсем точно соответствовать реальной ситуации. Лесоустроительные предприятия применяют в производственном процессе ГИС-технологии, основанные на различных инструментальных ГИС. При этом в технологической схеме часто бывает одновременно задействовано разное программное обеспечение нескольких производителей. Это связано с недостаточной эффективностью конкретных программных продуктов при выполнении ряда операций. Например, MapInfo и модуль GeoDraw недостаточно эффективны при оцифровке карт по растровой подложке, поэтому для выполнения этой операции многие предприятия используют программы векторизации Easy Trace или MapEDIT. При выборе технологической схемы важны фактор стоимости программного обеспечения ГИС и предлагаемые условия лицензирования. Используемые в лесоустроительном производстве технологические подходы на основе ГИС, по мнению автора данной статьи, можно разделить на три группы.
К первой группе следует отнести технологию лесоустройства, разработанную Северо-Западным лесоустроительным предприятием на основе ГИС WinGIS/WinMAP и используемую также Воронежским и, частично, Брянским лесоустроительными предприятиями. Ее можно охарактеризовать как переложение на ГИС описанной в лесоустроительной инструкции схемы камеральных работ в части лесной картографии: создание лесоустроительных планшета - сведение планшетов в план - сведение планов в схему лесхоза. Сохранен традиционный нестандартный формат лесоустроительных планшетов и их черно-белое исполнение. Главный недостаток такого подхода - позднее выявление потенциальных проблем, связанных с "разночтениями" исходных материалов, - некоторые ошибки на топографических картах или планшетах предшествующего лесоустройства будут выявлены тогда, когда созданные на их основе новые планшеты уже готовы, но вместе не сводятся.
Вторая, наиболее обширная, группа - технологии, основанные на известном с 80-х годов и ставшем классическим подходе, когда работы выполняются по схеме: создание топографической основы проекта на базе топографических карт и других данных - раздельная оцифровка границ с различных источников (карт, аэрофотоснимков, планшетов предыдущего лесоустройства) - привязка оцифрованных границ к топографической основе по опорным точкам и их взаимная увязка. По таким схемам работают технологии Западно-Сибирского лесоустроительного предприятия на основе ГИС MapInfo и векторизатора MapEDIT, технологии Северного, Поволжского, Прибайкальского и других лесоустроительных предприятий, основанные на ГИС/GeoDraw и векторизаторах MapEDIT или Easy Trace. На всех предприятиях лесоустроительные планшеты выполняются на стандартных листах формата А2 в цвете, что повышает их информативность.
Отдельный этап работ по созданию топографической основы, который может выполняться до полевых работ, позволяет выявить проблемы в исходных данных на ранних стадиях, еще до массовой оцифровки границ выделов. Контуры топографической основы по опорным точкам приводятся к оцифровываемому аэрофотоснимку, чтобы обеспечить опорные данные для оцифровки границ выделов. Но в этой технологии сохраняются и некоторые проблемы: необходимость ручной сводки линий по границам раздельно оцифрованных снимков, карт и т. п., а также сложность выявления причин и принятия решений в ситуации, когда наблюдаются "разночтения" в границах с раздельно оцифрованных источников.
В последнее время Западно-Сибирское лесоустроительное предприятие проводит активные разработки по совершенствованию используемых в производстве технологий, приближая их к технологиям описанной ниже группы.
Третья группа - ГИС-технологии, разработанные в Центрлеспроекте на базе ГИС TopoL и используемые также в Мослеспроекте. Если вышеописанные технологии избегают трансформировать растровые (сканированные) изображения исходных материалов, то в соответствии с нашей технологией, наоборот, монтаж всех исходных материалов - топографических карт, аэрофотоснимков, лесоустроительных планшетов - выполняется в растровой форме. Топографические карты сканируются и монтируются в сплошной слой растровой топоосновы, на него трансформируются аэрофотоснимки. Окружные границы формируются на основе топографических карт и геоданных прямо на растровой подложке топографической основы, прозрачные растры планшетов встраиваются в окружные границы.
В результате оцифровка всех видов объектов от элементов топографической основы до границ выделов выполняется как непрерывная процедура, нет необходимости в сведении векторных линий. Принятие решений в случае "разночтения" данных из различных источников выполняется оператором непосредственно в процессе оцифровки, так как он может, переключая растровые слои, наблюдать одновременно все исходные материалы, приведенные к единой системе координат. Этот вариант технологии к тому же наиболее перспективен для переноса значительной части (до 50%) камеральных работ в подготовительный период до полевых работ, что позволит снабдить таксаторов в поле дополнительными материалами.
В Центрлеспроекте и Мослеспроекте лесоустроительные планшеты также выполняются на стандартных листах формата А2 в цвете, но технология позволяет без значительных дополнительных затрат выпускать принципиально новые виды лесных карт - лесоустроительные планшеты на цветной растровой топографической подложке, фотопланы с наложенными контурами кварталов и выделов, другие подобные карты. Растровые подложки из топографических карт и аэрофотомозаики могут быть включены в состав ГИС, передаваемых лесхозам.
ГИС-технологии для лесного хозяйства
Лесоустроительные предприятия - основные производители информации о лесном фонде. При использовании в производственных процессах цифровых методов обработки данных и ГИС-технологии они являются основными производителями ГИС-данных и таксационных БД в отрасли. Это прямой путь к внедрению современных ГИС-технологий в лесное хозяйство, но необходимо специализированное программное обеспечение
Проблема заключается в том, что технологии, созданные для лесоустройства, не могут быть непосредственно внедрены в лесное хозяйство. Основных причин две. Во-первых, технологии лесоустройства - это прежде всего технологии создания таксационных и картографических БД, а технологии лесного хозяйства - это технологии их использования в повседневной работе. Образно говоря, технологии лесного хозяйства начинаются там, где технологии лесоустройства заканчиваются. Во-вторых, различны требования этих систем к уровню подготовки использующего их персонала.
На лесоустроительном предприятии персонал имеет высокую квалификацию, поскольку активно занят в рамках годового цикла единообразной производственной деятельностью. В отрасли проводится постоянное и централизованное обучение использованию новых технологий, работа выполняется компактными коллективами со взаимным обменом опытом. В лесном хозяйстве обучение работников связано с отрывом их от основного производства и не может быть продолжительным, а в силу территориальной удаленности предприятий трудно обеспечить обмен опытом специалистов, работающих с ГИС. Системы и технологии для лесного хозяйства должны быть просты в использовании и ориентированы на большую долю самообучения работников. При этом лесхозу не нужна "чистая" ГИС, ему необходима комплексная система, включающая таксационную БД, связанную с картографией, и решающая задачу ведения обеих БД.
Опыт предшествующих попыток внедрения не обеспеченных цифровой картой таксационных БД в лесное хозяйство не привел к значительному их распространению. Причины - отсутствие картографической поддержки, и слабо приспособленные к нуждам лесного хозяйства интерфейсы этих БД. Не имели большого успеха и многочисленные частные разработки, автоматизирующие некоторые операции производственного цикла. Этот опыт наглядно показал, что для лесного хозяйства должны создаваться специальные системы и ГИС-технологии. Разработкой таких комплексных технологий занимаются несколько лесоустроительных предприятий. Варианты систем поставляются в лесное хозяйство, но явных лидеров пока нет.
Системы, поставляемые в лесхозы
ГИС-технологии в лесхозы поставляют не только лесоустроительные предприятия, но и многие другие организации. При этом картографические БД, созданные по материалам ранее выполненных лесоустройств, часто значительно уступают по качеству БД, созданным в процессе лесоустройства. В ряде случаев такие "доморощенные" БД некорректны. Информация о поставляемых в лесхозы ГИС у нас достаточно скудна, так как многие системы имеют ограниченную зону распространения, а часть из них находится в стадии предварительных версий.
Лесоустроительные предприятия являются основными производителями данных ГИС и соответственно поставщиками таких систем в лесхозы. Ознакомиться с некоторыми поставляемыми в лесхозы системами удалось лишь поверхностно, но и они оставили впечатление достаточно "сырых" программных продуктов. Чаще всего эти системы построены на базе инструментальных ГИС от тех же производителей, что и используемые лесоустройством для создания картографических БД, но упрощенных их вариантов, иногда на базе других, более дешевых систем. Пример поставляемой в лесхозы дешевой ГИС - АРМ "Лесфонд" (НВФ "Лабмастер", Екатеринбург), работающая в среде DOS и поставляемая Поволжским лесоустроительным предприятием.
Круг решаемых такими системами задач ограничен функциями отображения на карте информации таксационной базы данных, плюс проектирование отводов с их материально-денежной оценкой и последующее внесение изменений в картографическую и таксационную базы данных по результатам освидетельствований.
Перспективы развития ГИС-технологий в отрасли
Технологии ГИС для лесного хозяйства настолько молоды, что пока не сформировался сколько-нибудь обширный опыт их использования. На сегодня лесники только осваивают возможности, заложенные разработчиками, и поэтому пока не предъявляет дополнительных требований к этим технологиям.
ГИС-технологии для лесоустройства уже достаточно освоены в производстве. Их интенсивное использование выявляет направления дальнейшего совершенствования. Стандартный цикл лесоустроительных работ состоит из периодов: подготовительного, полевых работ и камерального. Большинство ГИС-технологий встроено в стандартный цикл работ лесоустроительного производства и заменяет соответствующие этапы работ камерального периода. Но очевидна необходимость смещения ряда этапов выполнения ГИС-проекта лесоустройства на более ранние сроки - до начала полевых работ. В весенний период должны проводиться работы по созданию топографической основы ГИС-проекта, построению (нанесению, уточнению) границ земель лесного фонда и других линий - квартальных просек, трасс и т.п. Для этого используются топографические карты, геоданные, планшеты предшествовавших лесоустройств. В органах землеустройства необходимо получить данные (если они имеются) о границах землепользований в цифровой форме, которые обязательно надо сверить с данными об окружных границах, имеющимися в лесном хозяйстве. То есть все потенциальные проблемы с окружными границами должны быть выявлены до полевых работ и решены в процессе их проведения. Здесь существенную помощь могут оказать системы глобального позиционирования.
До полевых работ могут быть выполнены и другие этапы ГИС-проекта, например привязка аэрофотоснимков к топографической основе. Это позволит перенести на снимки окружные границы и другие элементы топоосновы, снабдив таксаторов дополнительными материалами. Эти изменения могут внедряться в лесоустроительное производство уже сейчас.
Развитие лесного хозяйства базируется на фундаментальных и прикладных исследованиях, направленных на разработку экологически безопасных природоохранных систем ведения лесного хозяйства, обеспечивающих максимальное и вместе с тем неистощительное использование лесных ресурсов и их своевременное воспроизводство.
Приоритетными направлениями научных исследований в области лесного хозяйства на рассматриваемый период являются:
разработка научных основ управления лесами и устойчивого развития лесных отношений в условиях рыночной экономики;
изучение природы леса и на этой основе разработка экологически безопасных систем ведения лесного хозяйства, технологий и технических средств, обеспечивающих повышение устойчивости и продуктивности лесов (разработка и создание высокоэффективных методов и технологий получения достоверной и оперативной информации о лесах, создание и разработка прогрессивных технологий и средств механизации различных видов рубок леса, совершенствование методологических и нормативных документов по вопросам сохранения биоразнообразия, разработка методов восстановления функциональных качеств лесных территорий);
разработка новых методов охраны лесов от пожаров (разработка и совершенствование методов прогноза возникновения пожароопасной ситуации в лесах, новых технических средств обнаружения и тушения лесных пожаров, совершенствование правовой базы охраны лесов от пожаров);
разработка мероприятий по сохранению биоразнообразия, воспроизводству, повышению продуктивности и качества лесов на селекционно-генетической основе;
разработка эффективных экологически безопасных систем защиты лесов от вредных организмов и техногенных факторов (совершенствование методов сбора, анализа и использования лесопатологической информации, разработка эколого-экономических критериев необходимости проведения защитных мероприятий, новых способов и средств защиты лесов от вредных организмов, профилактики и обеспечения санитарной безопасности в лесах);
изучение влияния лесоводственно-экологических факторов на миграцию и накопление радионуклидов в лесах в целях обеспечения радиационно-безопасного использования лесов;
разработка научно-методических основ информационного обеспечения радиационно-безопасного использования лесов, загрязненных радионуклидами
Новизна лесоустройства – ГИС. С одной стороны, для ГИС это очень хорошо, так как из технологического цикла исключаются дорогостоящие этапы фотопечати, последующего сканирования и монтажа крупноформатных аэрофотоснимков, что позволяет повысить качество цифрового изображения аэрофотоснимка на экране компьютера. Но требуется найти эквивалентную замену операции ручного дешифрирования стереопар с помощью стереоскопа. Для этого необходимо провести целевые технологические исследования - оценить возможности дешифрирования на экране без использования стереоэффекта, возможности полуавтоматической классификации аэрофотоснимка на основе спектральных составляющих изображения и оценить эффективность использования в производстве модулей ГИС для цифровой стереообработки снимков на экране.
Еще одно перспективное направление развития ГИС-технологий при их использовании в сложных условиях горных лесов - это применение точных методов трансформирования на основе цифровой модели рельефа и цифровых стереомоделей.