СТРОЕНИЕ ДЕШИФРОВОЧНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЛОГА МОДАЛЬНЫХ ЕЛОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ В РАВНИННОЙ ЧАСТИ ПРИКАМЬЯ И СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ АЭРОФОТОСНИМКОВ

 

Скоробогатько Н.Д. (ПГСХА, г. Пермь, РФ)

 

The current conition of structure of morphological characteristics of plantings canopy and their methods of studying have been under consideration. It was establishes that multistoreyed standings timber of different age had been not thoroughly investigated for computerized decoding.

The G.G.Samoylowitch’s crown shape classification has been also enlarged.

There has been made a description of crown shape and a design of canopy decoding indices in dependence with age, structure, canopy enclosure, rock composition and bonitet grade

 

В настоящее время нет специальной отрасли знаний - морфологии насаждений и, следовательно, нет научно обоснованных показателей, характеризующих внешний их облик [5]. В литературе приводятся отдельные данные по формам вертикальной и горизонтальной проекции крон, их изменения и количество в зависимости от возраста, полноты, возрастной структуры и других показателей. Таких научных работ очень мало. Вместе с тем эта тема весьма актуальна не только для целей автоматизированного дешифрирования АФС, но и для лесоводственных, биологоэкологических и физиологических исследований.

Изучение форм крон древостоев позволяет глубже познать природу леса, особенно в пространстве и во времени. Нами установлено, что деревья одной породы при одном и том же возрасте, имеющие одни и те же формы крон и произрастающие в одних и тех же типах леса и лесорастительных условиях, растут быстрее, чем деревья с другими формами крон. Следовательно, формы крон оказывают значительное влияние на рост и развитие деревьев. Поэтому их исследование позволит более точно определить все таксационные показатели по АФС методом автоматизированного дешифрирования. На рис.1 приводятся измерения таксационных и дешифровочных признаков, которые мы изучали для выполнения таксации древостоев методом автоматизированного дешифрирования их по АФС, но только в местах, изображённых на АФС. Это в основном относится к замерам в натуре поперечников крон.

 

 

 

Рисунок 1- Показатели формы и размеров кроны

h - высота дерева; I_k - длина кроны; h_Oк - высота до начала кроны; D_K - диаметр кроны; h_Dk - высота до наибольшей ширины кроны

 

Размеры крон деревьев определяют их длина и ширина (рис.1). Под длиной кроны понимают её протяжённость от первых живых сучьев до вершины. Отдельные ветви, расположенные ниже и не участвующие в образовании кроны, не принимают во внимание. Длину кроны определяют как разность между высотой дерева h и основанием кроны, измеряемыми в натуре при помощи высотомеров. Ширину кроны составляет её поперечник по наибольшему диаметру, который вычисляют измерением проекции кроны в направлениях С-Ю, СВ-ЮЗ, В-3, ЮВ-СЗ.

Для определения размеров крон использовался кронометр КБ-2 конструкции С.В. Белова и шест с отвесом.

Методика исследования базировалась на современных методах научного познания, теоретических положениях лесной таксации и лесоводства, изложенных в работах: Н.П.Анучина [1] Г.Г. Самойловича [5.6], В.И. Сухих [10], И.Д.Дмитриева [4], А.Л.Старасельского[2,9], А.М. Березина [3], С.В.Белова[2], М.К.Бочарова [2], С.В.Белова [1], М.В.Дворяшина, А.У.Кармазина [3] и других.

В работе учтены основные положения системного анализа; применено математическое моделирование и расчёты на компьютерах, широко использованы вероятностно-статистические методы.

Сбор экспериментального материала проводился по методическим разработкам Г.Г. Самойловича [5,6], В. И. Сухих [10], И. Д. Дмитриева [4], и др. с нашими дополнениями, обусловленными спецификой исследований, методом маршрутно-ключевых исследований.

Основным материалом исследований послужили 168 таксационно-дешифровочных площадей, из них полных координатных 23 шт., частично координатных - 87 шт. и общих таксационно - дешифровочных 58 шт., заложенных в сосняках и ельниках различной возрастной структуры - от одновозрастных до разновозрастных.

Аэрофотосъёмочный материал по лесным массивам в масштабе 1:15000 получен на фотоплёнку СН-6М. Контактные отпечатки изготовлены на трёхслойной фотобумаге.

В соответствии с рассмотренными положениями по современному состоянию вопросов, в программу исследований включены следующие задачи:

1. Изучить природные особенности формирования еловых и сосновых лесов в условиях Пермской и Курской областей;

2. Исследовать характер варьирования таксационно-дешифровочных показателей насаждений в зависимости от формы крон;

3. Изучить закономерности строения насаждений по морфологическим показателям полога крон деревьев;

4. Установить динамику таксационно-дешифровочных показателей в насаждениях с возрастом;

5. Вычислить площади и объёмы форм крон, составить программу их автоматизированного определения, а по ним уже определять породы.

На некоторые решённые нами задачи в данной научной работе приведены их результаты.

Г.Г.Самойлович [5] считал, что в круг первоочередных задач в области морфологии насаждений должно входить изучение и описание внешних признаков, характеризующих структуру полога насаждений в конкретных условиях местопроизрастания.

К основным показателям, характеризующим морфологию полога насаждения, относят: форму и размеры крон, виды полога, сомкнутость крон и полога, типы и ряды размещения деревьев в насаждении, густоту и расстояние между деревьями и их кронами, закономерности распределения деревьев по размерам крон, закономерные взаимосвязи морфологических и таксационных признаков.

Одни деревья, располагаясь изолированно, своими кронами заходят под кроны рядом стоящих деревьев. В результате на АФС не получают изображение до 27% еловых деревьев. Они являются невидимыми в пологе.

Строение полога зависит от лесорастительных условий и состава насаждения. Обладая специфическими биологическими свойствами, находясь в определённой взаимосвязи, влияя друг на друга и на окружающую среду, деревья создают ту или иную структуру полога. Вмешательство человека в развитие и рост древостоя может изменить лесную обстановку, а, следовательно, и повлиять на морфологию насаждения в нужном направлении. В связи с этим изучение и установление типа морфологической структуры насаждения имеет большое практическое значение. В равнинной части Пермской и Курской областях нами условно выделены три наиболее распространённые типичные схемы строения полога насаждения - горизонтальная, вертикальная и вертикально - ступенчатая. В древостое элемента леса полог, особенно верхняя его часть, которая получает изображение на аэрофотоснимке, состоит из крон деревьев более или менее сходных между собой по форме и размеру с небольшой разницей в их длине и высоте деревьев. У этих деревьев кроны смыкаются примерно на одной высоте hDk и создают горизонтальную сомкнутость.

 

Рисунок 2- Профиль древостоев со ступенчатой сомкнутостью крон

 

Совершенно другой вид полога у сложных насаждений: верхняя часть крон деревьев 2-го яруса смыкается с кронами деревьев 1-го яруса или входит в нижнюю часть полога 1-го яруса, образуя вертикальную сомкнутость. Глубина полога таких насаждений, т.е. протяжение от вершины самого высокого дерева до начала живой кроны самого низкого, значительно больше, чем при горизонтальной сомкнутости. Третий вид полога характерен для многоярусных насаждений, состоящих из нескольких древесных пород, когда деревья имеют неодинаковые высоту и расположение в пространстве, а кроны - разные по форме и размеру. Такой вид полога можно условно назвать вертикально - ступенчатым (рис.2). Глубина его наибольшая, просматриваемость при трехмерном изображении незначительна. Кроны могут быть сомкнутыми или разомкнутыми на ту или иную величину. Различают  горизонтальную и вертикальную сомкнутость крон. Первую характеризует горизонтальная проекция полога, слагаемая из проекций крон деревьев, расположенных в пологе свободно либо соприкасающихся и частично или полностью перекрывающихся кронами соседних деревьев, и из промежутков между ними. Горизонтальную проекцию полога насаждения определяют форма и размеры проекции крон деревьев, характер размещения крон, площади и их сомкнутость, состав полога, среднее расстояние между деревьями и между кронами, форма и размеры промежутков между кронами.

Форма проекции крон в пределах древостоя неодинакова, причём для каждой породы характерна своя, типичная, преобладающая форма; она варьирует также в зависимости от возраста, условий местопроизрастания и строения полога. Правильная округлая форма проекции крон сосны в молодом возрасте с достижением спелости под влиянием разных факторов становится неправильно округлой или эллипсовидной. Значительно изменяют форму проекции крон характер смешения пород и размещение деревьев по площади. Наиболее распространённые формы проекции крон объединены в четыре группы (округлые, эллипсовидные, однобоковытянутые и неправильные), и в каждой из них выделены четыре вида -варианты общих форм в пределах группы. На разнообразие форм горизонтальной проекции крон влияют не только биологические свойства породы и характер расположения крон пологе, но и другие факторы, связанные прежде всего с солнечным освещением.

Горизонтальная проекция полога слагается из суммы площадей проекции крон деревьев, входящих в полог, за исключением суммы площадей перекрытых частей крон. Числовая характеристика горизонтальной проекции выражается через степень сомкнутости полога, определяемую как отношение покрытой проекциями крон площади к общей площади участка; отсюда степень сомкнутости полога древостоя определяется по формуле:

P_s=(ΣS₁-ΣS₂)/S_уч,

где Ps- сомкнутость полога; ΣS_1, ΣS₂ - суммы площадей проекции крон всех деревьев на участке (пробной площади) и находящихся под кронами смежных деревье; S_уч - площадь участка.

          При определении степени сомкнутости полога на пробной площади изучали проекции крон деревьев, стоящих за её пределами, если их кроны участвуют в образовании полога древостоя пробы. Бывает и наоборот: деревья стоят на пробной площади, а их кроны находятся за её пределами.

Вертикальная сомкнутость крон - это сомкнутость их вертикальной проекции полога (при виде сбоку) : её определяют как отношение перекрытой кронами вертикальной части полога к общей его протяжённости по высоте. Этот показатель характеризует степень участия крон деревьев в образовании вертикальной сомкнутости полога и просматриваемости его в вертикальной плоскости.

При изучении строения древостоя зарисовывали его профиль и план. В них исследовали типичные и характерные особенности древостоя: форму и размеры вертикальной и горизонтальной проекций крон разных древесных пород с указанием в процентах представленности той или иной формы; характер расположения деревьев разных пород на участке; особенности 2-го яруса. Если к профилю насаждения провести пучок параллельных солнечных лучей под углом равным высоте Солнца в момент аэрофотосъёмки, можно судить о том, что и как может быть отражено на аэрофотоснимках. Состав древостоя дешифрируют по многим признакам. Среди них важное значение имеет форма крон, так как биологические особенности каждой породы обусловливают определенные, типичные для неё формы и морфологическую структуру крон. К морфологическим признакам, создающим представление о форме кроны, можно отнести диаметр (поперечник) Dк, длину 1к и высоту до наибольшей ширины hDк. Для определения формы кроны наибольшее значение имеет hDк, которая делит крону на верхнюю и нижнюю части. При одной и той же высоте дерева, ширине и длине кроны форма её не одинакова. Чем выше расположена наибольшая ширина кроны, тем она закруглённее и тупее, тем больше освещена её поверхность, а следовательно, тем отчётливее она изобразиться на аэрофотоснимках.

Общее впечатление о габитусе кроны складывается из формы верхних (выше hDк) и нижних (ниже hDк) частей, которые, как правило, несимметричны. Например, верхняя часть кроны может быть конусовидной, а нижняя закруглённой, овальной и т.д. Г. Г. Самойлович [5] для практических целей предложил схематическую классификацию форм крон деревьев. Все возможные формы крон он разделил на 8 рядов (типов), а каждый ряд в зависимости от характера ветвления и формы верхних и нижних частей крон на 3-5 видов. В насаждениях Пермской и Курской областей наиболее распространены следующие типы крон: у ели - конусовидные, сосны - параболоидные, эллипсовидные и сфероидальные, берёзы - параболоидные и эллипсовидные, осины - куполообразные и шаровидные. Классификация позволяет при изучении в натуре полога древостоев присваивать формам крона двойное наименование в зависимости от характера верхней и нижней частей их, а также вести перечёт деревьев по формам крон с указанием номера ряда и дерева в ряду, например 11,3 (конусовидно - овальная). По результатам перечёта устанавливают, какие и в каком количестве формы крон встречаются в древостое.

Как показали наши исследования и анализ обзора литературы данных, существующие методики изучения морфологии древостоев решают в основном проблему наземной таксации. Использовать такие научные данные для выполнения оценки древостоев методом автоматизированного дешифрирования АФС весьма трудоёмкая задача, повой для отдельных насаждений не выполнимая в высокополнотных насаждениях, Замерить поперечники крон деревьев, изображенных на АФС и другие морфологические показатели на пробных площадях невозможно. В лесу при измерении поперечников крон не знаем на какой высоте изображена крона на АФС, поэтому измерения горизонтальной проекции крон для целей дешифрирования носили субъективный характер. Вычерчивание профилей горизонтального и вертикального строения полога на основании данных координатных пробных площадей в больших масштабах на планах 1:200; 1:100 очень трудоёмкий эксперимент. При этом происходит огромное нагромождение форм крон, особенно при вычерчивании высокополнотных, и разновозрастных, а также разновозрастных многоярусных древостоев, поэтому очень трудно, а порой невозможно дать объективную оценку пологу, изображённому на АФС не только мелкомасштабных, но и среднемасштабных, а для отдельных древостоев и крупномасштабных, потому что при замерах поперечников крон в лесу неизвестно на какой высоте изображена эта крона на АФС, и это ли дерево обмеряем на пробной площади и на АФС. Вычерчивание на планах и горизонтальных профилях форм крон с целью определения сомкнутости полога насаждений носили в основном субъективный характер, отсюда – статистические показатели в основном недостоверны. Эта проблема касается измерения и других дешифровочных признаков. Особенно отнесение деревьев к видимыми и невидимым на АФС, а следовательно все дальнейшие результаты исследований схоластические. Привязка деревьев, их нумерация сверху крон на дощечках, а потом проведение аэрофотосъёмки не дадут исследователю с допустимой научной точностью решить эту проблему. В связи с этим говорить, что между диаметрами крон деревьев, изображённых на АФС и полученными данными нет связи нельзя. Полученные данные о морфологии насаждений повышают точность таксации, но они использовались в то время, когда имеющиеся измерительные приборы не позволяли в полной мере использовать данные исследователя. Эта методика, дополненная нами получила объективное научное и практическое значение только в настоящее время при современных вычислительных средствах. Использование трёхмерного изображения на экране компьютера и точного вычислительного устройства с автоматизированным вычислением или оператором-дешифровщиком, введением в программу уже имеющихся и получаемых научных данных о морфологии древостоев позволяет производить сравнение (контролировать) вычисления, выполненных автоматизированным методом на АФС. Исследовательский материал, полученный автором в лесу, стал востребованным. Вычерчивать профили для изучения морфологии насаждений (древостоев) перестало быть необходимостью.

Как показали проведённые исследования, схемы классификаций вертикальной и горизонтальной проекций крон деревьев, разработанные Г. Г. Самойловичем [5] для насаждений всех пород, недостаточны при описании морфологии ельников и сосняков района исследований. Они дополнены нами более подробной дифференциацией форм крон деревьев ели и сосны. Данная классификация полностью отражает все формы крон изучаемых объектов.

Преобладающими типами вертикальных проекций крон деревьев в изучаемых ельниках и сосняках являются конусовидный - 83%, эллипсовидный и цилиндрический - 16%. В молодых возрастах первый из них - основной, по мере старения леса понижается до 75%. Доля деревьев второго типа повышается с 14% до 25%. В спелых древостоях в объёме 1-2% появляются ромбовидный и неправильной формы. Структура полога насаждений по выделенным категориям крон и динамика отдельных категорий зависит от возраста и полноты леса.

На аэрофотоснимках средних масштабов формы вертикальной проекции крон ельников воспринимаются как узко и тупо- конусовидные и могут быть использованы при автоматизированном дешифрировании. Основные категории крон достаточно чётко выделяются на крупномасштабных снимках и имеют большое значение при детальной таксации еловых и сосновых насаждений и освидетельствовании мест рубок главного пользования, контроля за проведением рубок ухода и санитарных рубок.

  Преобладающими типами горизонтальных проекций крон деревьев в ельниках и сосняках являются округлый - 33%, одностороннее - сжатый - 31% и неправильно- узорчатый - 23%. Менее распространены эллипсовидные формы крон. В молодняках первый тип крон - преобладающий, с возрастом понижается с 47% до 23%. Доля деревьев с неправильно- узорчатой формой кроны возрастает с 14% до 30%. В определённой мере с 29% до 35% повышается и количество деревьев ели и сосны односторонне- сжатого типа. Остаётся стабильный удельный вес деревьев с эллипсовидной формой кроны.

Структура полога насаждений по выделенным категориям крон и динамика отдельных категорий зависит от возраста леса.

На аэрофотоснимках средних масштабов формы горизонтальной проекции крон ельников и сосняков воспринимаются как правильно - или неправильно-округлые и могут быть использованы при автоматизированном их дешифрировании. Основные категории крон хорошо просматриваются на снимках крупных масштабов и имеют большое практическое значение при детальных лесоучётных работах.

На пространственную структуру полога еловых и сосновых насаждений влияют возрастная структура древостоев, состав пород, возраст леса и сомкнутость полога. Количество деревьев и биогруппах в условно разновозрастных еловых древостоях достигает 8 штук, в разновозрастных - 11 штук. В них размещены соответственно около 68% и 62% числа деревьев насаждения.

Участие берёзы в составе древостоев приводит к уменьшению гомогенности фитоценоза. По мере старения леса систематически возрастает число биогрупп, состоящих из небольших чисел деревьев. С увеличением сомкнутости полога насаждения сокращается их число. Количество деревьев ели, не получающих отображение на аэрофотоснимках среднего масштаба, в ельниках и сосняках зависит от условий местопроизрастания, возрастной структуры древостоев, среднего возраста и состава пород яруса.

В условно разновозрастных ельниках III класса бонитета удельный вес отмеченных индивидуумов составляет по числу деревьев - 39%-64%, по запасу -18%-43%. В насаждениях IV класса бонитета этот диапазон расширяется соответственно до 20%-65% и до 5%-55%. В разновозрастных древостоях число невидимых на аэрофотоснимках деревьев ели выше - 45-61%. Их запас составляет 21-40%.

С увеличением сомкнутости полога, а также участия в составе древостоя других пород, особенно более старших возрастных поколений, число невидимых в пологе леса деревьев сосны и ели возрастает. Обратная картина наблюдается с повышением возраста леса.

В сосняках состав видимого полога и первого яруса совпадает в 70% случаев, в 25% случаев доля сосны меньше или больше на 1 единицу состава и 5% случаев расхождение составило ±2 единицы.

Вне поля зрения наблюдателя при дешифрировании среднемасштабных аэрофотоснимков в еловых насаждениях оказывается значительное число деревьев -примесей, находящихся в тонкомерной части древостоя (пихта - 32-71%, берёзы -12-35%, сосны - 9-27%, лиственницы, кедра - 2-10%).

Применение цветных спектрозональных аэрофотоснимков значительно повышает информативность данных по составу таксируемых насаждений ели и сосны.

Строение ельников по таксационно-дешифровочным показателям характеризуется рядами распределения деревьев по относительным ступеням d1,3, h, h_Дк, h_ok, 1к и Дк.

Оно существенно обусловливается возрастной структурой и средним возрастом древостоев. Отмеченные ряды описываются дифференциальными кривыми вероятностей Пирсона I, II реже - V типов. Возможна аппроксимация данных Дк и 1к при помощи обобщенной кривой нормального распределения Грама-Шарлье типа А.

Уравнения регрессии параметров этих кривых в виде асимметрии и эксцесса рядов зависят от среднего возраста древостоев.

На ход роста ельников по таксационно-дешифровочным признакам существенно влияет полнота древостоев. В среднеполнотных насаждениях по сравнению с нормальными, характерны значительно большие значения Дср, ср.1к, деревьев ср. Дк как всех деревьев, так и видимых ср. Дк.в.п. в пологе леса.

                                                 

Литература

1. Анучин Н.П. Лесная таксация: М.: Лесн.пром-сть. 1982.552 с.
2. Белов С.В., Дмитриев И.Д., Колосова А.Е. Аэрофотосъемки и авиация в лесном хозяйстве. Л.: 1962.256 с.
3. Березин А.М., Харин Н.Г. Методическое пособие на использование аэрофотоснимков для дешифрирование лесов. М.:1960.68с.
4. Дмитриев И.Д.,Мурахтанов Е.С., Сухих В,И. Лесная аэрофотосъемка и авиация. М.: Лесн. пром-сть, 1981.342с.
5. Саймолович Г.Г. Применение аэрофотосъемки и авиации в лесном хозяйстве. Л.:1972.64с.
6. Саймолович Г.Г. Особенности технологии инвентаризации лесов с использование аэрофотоснимков при лесоустройстве. Л.:1972.64с.
7. Саймолович Г.Г., Бочаров М.К. Математические основы дешифрирования аэроснимков. Л.:1964.182с.
8. Старосельский А.Л., Гельман Р.Н. Стерескопическое определение высоты деревьев по аэроснимков. Л.: Лесн. пром-сть, 1964.54с
9. Старосельский А.Л., Вопросы воздушного дотоградирования и дешифрирования лесов. М.: Лесн. пром-сть, 1965.55с.
10. Сухих В.И., Гусев Н.Н., Данюлис Е.П. Аэрометоды в лесоустройстве. М.: Лесн. пром-сть,1977.186с.