Н.А. Абушенко, А.В. Татарников, С.А. Тащилин, Институт солнечно-земной физики СО РАН
И.Н. Владимиров, А.К. Черкашин, Институт географии СО РАН

В условиях формирования новых требований к качеству информации о состоянии лесных ресурсов возникает необходимость создания информационной системы лесного хозяйства, интегрирующей информационные потоки в лесоустройстве и лесохозяйственной деятельности. В первую очередь это связано с необходимостью существенного повышения оперативности, достоверности и организованности, временной и пространственной согласованностью данных о состоянии лесного фонда. На решение таких задач ориентированы географические информационные системы (ГИС), способствующие наиболее эффективному решению научных и прикладных задач, связанных с оценкой ресурсно-экологического потенциала лесов, контроля за состоянием лесных ресурсов.

Важнейшими качествами данных, используемых в процессе принятия решений, является их актуальность, полнота и объективность. Всеми этими качествами обладают данные дистанционного зондирования (ДДЗ). Дистанционное зондирование позволяет получать наиболее свежую информацию, что особенно важно для проведения ситуационного анализа в целях выработки оптимального решения. ДДЗ служат основой для создания актуальных тематических карт, и в действительности, являются первичным источником всей современной картографической информации. Более того, современные технологии дистанционного зондирования и компьютерной обработки ДДЗ существенно превосходят возможности традиционных бумажных карт как в отношении содержания, так и в отношении разнообразия методов визуализации.

Интегрированная многоуровневая ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов ориентированна на решение шести основных задач:

- обнаружение пожаров;
- эффективная организация сил и средств для тушения пожаров;
- профилактика и предупреждение возникновения крупных лесных пожаров;
- расчет ущерба, причиненного уничтожением или повреждением леса в результате пожара;
- прогнозирование естественной и антропогенной динамики лесонасаждений;
- повышение уровня информированности принятия решений.

Если задачу обнаружения лесных пожаров можно решить, используя только данные наземных наблюдений, авиапатрулирования и дистанционного спутникового зондирования, то задачи борьбы и профилактики лесных пожаров, оценки ущерба невозможно решить без широкого привлечения ГИС и их наполнения соответствующими статическими и динамическими слоями. В этом смысле большая роль уделяется созданию системы прогнозирования и управления динамикой лесных ресурсов. Таким образом, осуществляется разработка ГИС как инструмента для принятия решений по охране и рациональному использованию лесов Иркутской области от пожаров, базирующейся на оперативных данных (данных спутникового дистанционного зондирования) и основополагающих данных. Последние будут включать данные, полученные на основе информации землепользования, лесоустройства, карт насаждений и данных управления.

ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов создается на основе исходной картографической информации (цифровая топографическая основа масштаба 1:1000000), природно-хозяйственной карты, карт-схем лесхозов Иркутской области, предоставленных отделом лесопользования и воспроизводства лесов Комитета природных ресурсов по Иркутской области. Из цифровой топографической основы в карте области оставлены граница области, необходимые элементы гидрографии с дополнениями, дорожная сеть и основные населенные пункты.

ГИС предназначена для информационного обеспечения специалистов лесного хозяйства разнообразными справками о пожарах и состоянии лесного фонда Иркутской области с помощью данных дистанционного зондирования и базы лесоустроительной информации на различных уровнях. Она может применяться в качестве компьютерной базы для обучения специалистов в области природопользования и в конкретной работе при выборе рациональных путей вовлечения лесных ресурсов в хозяйственный оборот, а также для оценки экологических последствий принимаемых решений.

Информационное обеспечение управления лесными ресурсами представлено разными технологиями, реализующими этапы системного анализа, начиная от сбора и обработки данных до вариантного анализа развития ситуации, предшествующего принятию решений. Информационная подготовка решений осуществляется в процессе оперативного, текущего и фонового мониторинга, анализ стратегий обеспечивается математическими моделями прогнозирования и процедурами оптимального управления, реализованными на их основе.

Каждый этап подготовки решений (рис.1) включает исходную базовую информацию, методы, алгоритмы и программы ее тематической обработки, программное обеспечение ГИС картографического представления информации и итоговую информацию для управления. На рис.1 представлены фрагменты этой общей схемы, имеющие отношение к выполняемой работе.


Рис. 1 Общая схема подготовки принятия решений в интегрированной многоуровневой ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов


Оперативный мониторинг осуществляется средствами дистанционной космической съемки (AVHRR/NOAA). Обработка информации проводится методами тематического дешифрирования и нацелена в основном на выявление мест пожаров и картографирование участков, пораженных огнем. База данных результатов тематической обработки за несколько лет позволяет на основе статистической обработки выявить общие закономерности и предпосылки возникновения пожаров. В среде ГИС все результаты обработки привязываются к системе квартальной сети, что является основой идентификации очагов пожаров и в принятии решений для проведения мероприятий по их локализации и ликвидации. Средством для эффективного и оперативного принятия решений выступают высокоскоростные линии связи и передачи информации от её источника до конечного потребителя.

Среди продуктов обработки спутниковой информации можно выделить три основных типа: точечные объекты (лесные пожары) и площадные (гари крупных лесных пожаров) и точечно-пространственные (индекс пожарной опасности). Все типы объектов можно импортировать в ГИС, либо как растровое изображение с известными параметрами географической проекции, либо как табличный файл с координатами интересующего объекта и атрибутивной информацией. При работе с растровым изображением в ГИС возникает ряд неудобств, связанных с тем, что сами ГИС имеют векторную основу работы с данными. Например, отсутствует возможность изменения параметров, пересекающихся изображений наложение растровых изображений друг на друга и т.д. При импортировании табличных данных создается векторный слой, с которым можно работать также как с другими векторными слоями. К тому же, некоторые табличные данные имеют значительно меньший объем, чем растровое изображение, из которого они получены, что позволяет уменьшить время передачи данных.

Таким образом, наиболее эффективным, на наш взгляд, способом импорта результатов обработки спутниковый информации в ГИС мониторинга лесных пожаров является создание табличных файлов в ASCII формате. Так, табличное представление данных о действующих лесных пожарах, выделенных на космоснимках сокращает объем информации в сто раз. Результат детектирования очагов лесных пожаров преобразовывается в табличные формы непосредственно при обработке спутниковых данных и передается в ГИС уже в ASCII формате известной структуры.

ASCII файлы лесных пожаров имеют жесткую табличную структуру, необходимыми полями без которых невозможно импортировать данные в ГИС являются поля с координатами: широта и долгота пожара. Поля для временной привязки дата и время пролета спутника. Дополнительные поля, которые являются информационными и могут потребоваться для дополнительной обработки номер спутника и потоки излучения, принимаемые в пяти спектральных каналах радиометра AVHRR, установленного на ИСЗ серии NOAA.

Для определения площади гарей их картирования в пост оперативном режиме используется информация видимого диапазона в области спектра 0.8 1.1 мкм. Выбор данной области обусловлен тем, что на данный диапазон приходится максимум отражательной способности растительности. Эту процедуру лучше всего проводить весной, когда имеется значительный контраст между фоном здоровой растительности и значительно меньшим откликом сигнала гарей.

Результатом обработки детектирования гарей является промежуточный ASCII файл с набором следующих полей:

Обязательная информация, использующаяся для формирования слоя полигонного типа в файлах форматов ГИС:
а) идентификационный номер гари (1, 2, ..n)
б) долгота точек контура гари
в) широта точек контура гари
Далее находится информация, используемая для создания атрибутов элементов слоя:
г) площадь гари.
д) широта центра гари
е) долгота центра гари
ж) дата и время периода действия пожара в зоне гари.

Атрибутивная информация может дополняться различными априорными информационными элементами в зависимости от конкретных требований ГИС: административный район, лесничество, квартал, тип растительности и др. На дальнейших этапах данный файл ASCII конвертируется в стандартный файл формата ГИС, средствами программного обеспечения, на основе которого создана данная геоинформационная система.
Фоновый мониторинг лесов осуществляется в системе лесоустройства (инвентаризация лесов) с использованием аэрофотосъемки и наземной таксации насаждений. Эти данные концентрируются в базах лесотаксационных данных (таксационные описания), данных квартальных итогов, в итоговых таблицах состояния лесных ресурсов по лесничествам, лесхозам и лесосырьевым базам. Последние составляют основу данных учета лесного фонда, которые ежегодно обновляются с учетом проведенных рубок и лесохозяйственных мероприятий, а также принимая во внимание площади свежих гарей. Эти площади могут выявляться с использованием оперативной космической съемки высокого разрешения.

Базы данных лесной таксации и учета лесного фонда с помощью ГИС картографически визуализируются и становятся основой для оценки лесных ресурсов (лесохозяйственного потенциала) и их текущего изменения [1]. На рис. 2 показана карта средних запасов в спелых и перестойных лесах Иркутской области (по лесхозам), составленная в ГИС на основе данных учета лесного фонда.

Используя информацию о площади и запасах погибших лесонасаждений, оценивается ущерб, и принимаются решения об его возмещении.
В моделировании динамики леса имеется ряд особенностей, связанных со спецификой его развития - длительностью протекания процессов в древостоях, измеряемой несколькими десятками и сотнями лет, а также большим разнообразием видовой и возрастной структуры лесонасаждений. Именно поэтому при моделировании естественной и протекающей на фоне лесохозяйственного освоения динамики лесных ресурсов необходима не одна-две математические модели, а целая система разноуровневых моделей, отражающая естественную иерархию лесов как компонентов геосистем различных рангов [2,3]. Именно в виде такой системы модели леса включаются в интегрированную ГИС.

Система математических моделей применяется для прогнозирования динамики лесных ресурсов, на различных уровнях в ГИС (область, административные районы, лесхозы, лесничества, кварталы). В качестве информации используются данные учета лесного фонда, удобные для анализа динамики лесных ресурсов своей частой повторяемостью и достаточной детальностью, необходимой для решения теоретических и практических задач прогнозирования с учетом последствий различного вида хозяйственной деятельности и катастрофических смен. Во внимание принимаются рубки, пожары и изъятие лесов лесного фонда в результате капитального строительства. Учитывается процесс создания лесных культур и их перевод в молодняки.

Созданные ГИС-ориентированные базы данных лесоустроительной информации привлекаются для идентификации (оценки параметров) прогнозных моделей. Расчеты с использованием моделей дают информацию о пространственной и временной изменчивости компонентов лесной растительности с учетом ее породного и возрастного состава, а также с учетом антропогенного влияния [4]. ГИС-системы наглядно демонстрируют прогнозируемые изменения, позволяют сравнивать результаты разных стратегий управления, оценивать ожидаемые доходы и ущербы.


Рис. 2. Карта средних запасов в спелых и перестойных лесах Иркутской области (по лесхозам)


Низшим уровнем ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов являются данные квартальных итогов и соответствующие им планы лесонасаждений. Элементарной ячейкой управления здесь становится квартал, который считается однородным по природным характеристикам участком лесной территории. Основными переменными становятся площади и запасы лесонасаждений с учетом их распределения по группам возраста. Система кварталов определяет пространственную дифференциацию лесных ресурсов, что лежит в основе планирования размещения лесосек и картографирования состояния лесов по агрегированным показателем как на текущий момент, так и с помощью моделей на перспективу.

В ходе создания интегрированной многоуровневой ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов разработан электронный вариант квартальной сети Усть-Илимского, Братского, Чунского районов Иркутской области (рис. 3). Представление результатов спутникового зондирования в ГИС обеспечивает знание географических координат объекта - его широту и долготу. Однако основная часть информации по лесоустройству представляется в системе координат лесничество-квартал. Следовательно, для достижения однозначности в представлении информации необходимо иметь возможность легко конвертировать данные из одной системы координат в другую. Для решения этой проблемы был создан электронный ГИС - слой квартальной сети лесничеств для территории вышеупомянутых районов.
Оцифровка производилась дигитайзером по природно-хозяйственной карте района, составленной предприятием "Сибэкокарта". Привязка границ кварталов осуществлялась по имеющимся слоям рек и границ авиаотделений в масштабе 1:200000. В результате были получены электронные слои лесхозов, лесничеств и кварталов. Квартал в большинстве случаев имеет форму прямоугольника с размерами два на три километра.

Минимальным графическим объектом, по которому возможно получение содержательной информации, является квартал. Структура поквартальной информации, используемая в системе, содержит основные агрегированные характеристики квартала.

Слой лесхозов и кварталов связан с таблицами, в которых отображаются атрибуты каждого лесхоза и квартала. Атрибутивная таблица тематического слоя лесхозов содержит 35, а слой кварталов 62 поля. В качестве источников данных для заполнения таблиц использовались квартальные итоги лесничеств, предоставленные отделом лесопользования и воспроизводства лесов Комитета природных ресурсов по Иркутской области.

Таким образом, имея электронный (ГИС) вариант квартальной сети, появляется возможность привязки объектов с известными географическими координатами в координатной системе лесничество-квартал и обеспечивается совмещение картографической базы данных с лесоустроительной, на основе которой решаются задачи тематического картографирования с выбором окраски и формирования необходимых документов.


Рис. 3. Электронный вариант квартальной сети лесхозов севера Иркутской области. Атрибутивная таблица кварталов и представление зарегистрированных очагов пожаров в системе пожар квартал.


Создание интегрированной многоуровневой ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования лесных ресурсов Иркутской области обеспечивает наглядное отображение пространственной и временной изменчивости состояний лесных ресурсов, быстрое и эффективное обнаружение лесных пожаров. Оперативное обновление такой информации на местах и представлением ее в информационные центры области совместно с космическим мониторингом позволит перевести учет состояния лесных ресурсов на более дробный уровень, что повысит качество контроля за их использованием и ответственность пользователей. В целом, данная геоинформационная система должна способствовать обеспечению управленческой деятельности, необходимой для эффективной защиты и рационального использования лесов Иркутской области, учета экологических факторов и местных условий хозяйствования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Владимиров И.Н. ГИС состояния лесного фонда Иркутской области// VII научное совещание по прикладной географии: Тезисы научной конференции. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2001. - С. 191-193.
2. Черкашин А.К. Система математических моделей леса // Планирование и прогнозирование природно-экономических систем. - Новосибирск: Наука, 1984. - С. 46-57.
3. Москаленко А.И., Черкашин А.К. Модель пространственной и возрастной структуры леса //Модели управления природными ресурсами. - М.: Наука, 1981. - С. 231-243.
4. Владимиров И.Н., Черкашин Е.А. Геоинформационная система состояния и прогнозирования естественной и антропогенной динамики лесных ресурсов Иркутской области // Математическое моделирование и информационные технологии: состояние и перспективы: Тезисы докладов школы-семинара - Иркутск: Институт динамики систем и теории управления СО РАН, 2001. - С. 8-9.