Анализ пространственной приуроченности очагов повреждения таежных лесов сибирским шелкопрядом по данным мелкомасштабного дистанционного зондирования

УДК 528.94

Е.В. Федотова, С.Т. Им, В.И. Харук

Институт леса им. Сукачева В.Н. СО РАН, Красноярск

АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ПРИУРОЧЕННОСТИ ОЧАГОВ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ СИБИРСКИМ ШЕЛКОПРЯДОМ ПО ДАННЫМ МЕЛКОМАСШТАБНОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Сибирский шелкопряд (Dendrolimus superans sibiricus Tschetw.) является основным вредителем хвойных лесов Сибири. Вспышки его массового размножения особенно разрушительны в темнохвойной тайге с преобладанием пихты и кедра. Вспышки наблюдаются с периодичностью 15 -25 лет, и в темнохвойных лесах Красноярского края в период с 1878 по 2004 гг. они наблюдались десять раз. На территории Нижнего Приангарья последняя вспышка произошла в 1993-1996 годах. Гусеницы шелкопряда повредили леса на площади около 1 млн. га.

Практический интерес представляет исследование возможностей применения данных мелкомасштабной съемки для целей мониторинга вспышек массового размножения насекомых-вредителей, так как материалы на территорию очага можно получать не реже одного раза в сутки. Ограничение в данном случае связано с пространственным разрешением этой съемки: массивы поврежденных насаждений должны иметь площадь не менее сотни гектаров.

В работах [1, 2, 3] показано, как по данным мелкомасштабной съемки (NOAA/AVHRR, Terra/MODIS, SPOT VEGETATION) на территории Сибири были выделены погибшие от сибирского шелкопряда насаждения. Более того, по этим данным удалось проследить увеличение площади поврежденных лесов в течение одного вегетационного периода. Показано, что выделение погибших насаждений возможно осуществить также и по снимкам, полученным в ранневесенний период.

Цель работы состояла в том, чтобы по материалам мелкомасштабных съемок NOAAAVHRR и MODIS:

а) Выделить леса, поврежденные в 1994-1996 гг. сибирским шелкопрядом в Нижнем Приангарье;

б) Используя цифровую модель рельефа, определить особенности расположения таких лесов по элементам рельефа (высота над уровнем моря, экспозиция и крутизна склонов).

Приангарский район Средне-Сибирской равнинной лесорастительной области характеризуется южно-таежным ландшафтным комплексом типов леса. Рельеф местности представляет собой холмистое плато. Климат района континентальный. Среднегодовое количество осадков около 400-450 мм. Среднегодовая температура +2,6°С с абсолютным минимумом в декабре -54°С и абсолютным максимумом +36°С в июле. Продолжительность вегетационного периода 100 дней. Леса покрывают 95% территории, их породный состав представлен всеми основными видами: пихта (Abies sibirica), кедр (Pinus sibirica), ель (Picea obovata), сосна (Pinus silvestris), лиственница (Larix sibirica), осина (Populus tremula), береза (Betula

verrucosa). Насаждения III-IV класса бонитета с запасом древесины 200-230

3

м /га и средним возрастом 135 лет. Основной кормовой культурой сибирского шелкопряда в данном регионе является пихта [4].

Три снимка NOAA AVHRR использовались для изучения динамики повреждения лесов в течение одного вегетационного периода: 1 - 07.06.1995 г., 2 - 30.06.1995 г., 3 - 16.08.1995г. Для картирования всех пострадавших от шелкопряда лесов использованы два типа продуктов MODIS. Во-первых, это 16-дневный композит (MODIS13) 12 - 28 августа 2000 г. Изображение содержат 6 слоев: вегетационный индекс нормированной разности NDVI, улучшенный вегетационный индекс EVI, красный (620-670 нм), ближний инфракрасный (841-876 нм), синий (459-479 нм) и средний инфракрасный (1628-1652 нм) каналы датчика. Второй вид продукта - также 16-дневный композит 28 июля - 12 августа 2002 г., изображение имеет слоя: NDVI, красный, ближний ИК и средний ИК каналы. Наземное разрешение снимков 500 м.

Для классификации данных и анализа пространственной приуроченности поврежденных насаждений применялась карта, составленная по материалам наземных обследований и данным дешифрирования аэрофотоснимков [5]. Использовалась цифровая модель рельефа в формате SRTM, полученная по данным микроволновой съемки с космического корабля Shuttle (2000 г). Использованный материал

представлен изображениями, охватывающими территорию размером по 1° х 1° и имеет исходное пространственное разрешение 90 м, точность определения высоты составляет около 20 м.

На исследуемой территории высота местности над уровнем моря составляет от 76 до 650 м. Поврежденные леса расположены на высотах от 80 до 450 м, причем основная их часть - на высотах от 100 до 400 м. Остальная территория не рассматривается в связи с небольшой относительной площадью. Высоты определяются с интервалом 10 м. Азимуты представлены восемью градациями: север (338 o - 23 o), северо-восток (23 o - 68 o), восток (68 o - 113 o), юго-восток (113 o - 158 o), юг (158o - 203 o), юго-запад (203 o - 248 o), запад (248 o - 293 o) и северо-запад (293 o - 338 o). Градации крутизны склонов не проводилось, так как на данной территории крутизна склонов более 13° составляет менее 0.5% каждая, и такие крутые склоны в рассмотрение не принимались.

Выделение поврежденных насаждений и картирование по снимкам состояло из нескольких шагов. В результате получены три картосхемы части поврежденной шелкопрядом территории в течение лета 1995 года по данным AVHRR. На основе снимков MODIS получена картосхема всей территории погибших насаждений (рис. 1). По масштабам повреждения вспышка носила катастрофический характер. Полностью уничтожено около 250 тыс. га темнохвойных лесов.

Совместный анализ результатов классификации изображений и модели рельефа позволил получить характеристики распределения поврежденных и погибших насаждений по элементам рельефа. Поскольку разные категории

элементов рельефа (т.е. территории с определенными экспозициями, крутизной и высотой) на территории представлены неравномерно, то применялась процедура нормирования данных по площади. При этом площади поврежденных лесов для данной категории параметров рельефа (интервалы высоты, крутизны или экспозиции) были поделены на площадь с такими параметрами в пределах поврежденной территории темнохвойных насаждений до начала вспышки (исходная «кормовая база»). Площадь темнохвойных лесов до вспышки сибирского шелкопряда определялась как сумма погибших за время вспышки насаждений и темнохвойных насаждений, оставшихся после вспышки и выделенных в результате классификации снимка MODIS.

58°N

57°30'N

94°Е 95°Е 96°Е

Рис. 1. Картосхема погибших в результате вспышки сибирского шелкопряда насаждений, составленная по данным MODIS:

1 - погибшие древостои, 2 - темнохвойные насаждения

На рис. 2, А, Б, В показано, как в течение вегетационного периода 1995 г. росла площадь и изменялось положение поврежденных сибирским шелкопрядом насаждений. Шелкопряд продвигался с высот 190-200 м над у.м. в более возвышенные части ландшафтов, достигнув к концу лета 1995 г. высот 300 м над у.м., сохраняя за весь период преимущественное положение на западных склонах.

Высота над у.м., м

Уклон, градусы

А

Б

В

Рис. 2. Нормированная площадь насаждений сплошных повреждений (данные NOAA/AVHRR) по элементам рельефа:

А - по высоте над у.м., Б - по уклонам, В - по экспозициям. 1 - 07.06.1995 г., 2 -

30.06.1995 г., 3 - 16.08.1995 г.

Через 5-6 лет после вспышки сибирского шелкопряда распределение поврежденных насаждений отличается от того, что наблюдалось в разгар вспышки в 1995 году. Часть поврежденных насаждений восстановилась, территории сплошных повреждений обозначились более отчетливо. Представленные на рис. 3 данные показывают, что на благоприятных для развития гусениц шелкопряда высотах погибла половина пихтовых лесов. Уцелевшие темнохвойные насаждения расположены на более высоких участках.

Характерное для начала вспышки распределение поврежденных насаждений по склонам западной ориентации (рис. 2 В) сменилось практически круговым (рис. 4).

Полученные результаты указывают на ландшафтную приуроченность повреждений насаждений, особенно в начальный период вспышки: высоты 200-300 м над у.м. и склоны западной экспозиции наиболее благоприятны для развития вспышки сибирского шелкопряда. Затем вспышка распространяется на менее благоприятные ландшафты как по высоте над у.м., так и по крутизне и экспозиции склонов. Выполненная работа свидетельствует о перспективности использования съемки Terra/MODIS для мониторинга вспышек массового размножения сибирского шелкопряда в таежных лесах.

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Высота над у.м., м

Рис. 3. Распределение по высоте над у.м. темнохвойных насаждений до (1) и

после вспышки

N

Рис. 4. Распределение по склонам разной экспозиции поврежденных

насаждений:

1 - слабые, 2 - средние, 3 - сильные, 4 - сплошные повреждения, 5 - все уровни

повреждения

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Съемка NOAA/AVHRR в мониторинге вспышек сибирского шелкопряда/ Харук В.И., Кожуховская А.Г., Пестунов И.А., Дж. Рансон, Цибульский Г.М.// Исслед. Земли из космоса.- 2001.- № 1. - С. 1-7.

2. Kharuk, V.I., K.J. Ranson, A.G. Kozuhovskaya, Y.P. Kondakov, L.A., & Pestunov, I.A. (2004). NOAA/AVHRR satellite detection of Siberian silkmoth outbreaks in eastern Siberia, Int. J. Remote Sensing, 25 (24): 5543-5555.

3. Kharuk V.I., Ranson K.J., & Im S T. (2006).Terra/MODIS and SPOT VEGETATION Data in the monitoring Siberian silkmoth outbreak in monitoring taiga zone/The 13 th IBFRA Conference Abstracts, Umea, Sweden, August 28-30, p. 136.

4. Районы массового размножения сибирского шелкопряда в лесах Приенисейской Сибири. Карта. Масштаб 1:800 000./ Кондаков Ю.П., Баранчиков Ю.Н., Черкашин В.П., Корец М.А. - Красноярск: Проект USAID ФОРЕСТ, Ин-т леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2003. 1 лист (69х88 см).

5. Повреждения лесов сибирским шелкопрядом в 1996 г. Карта. М 1:800 000. Красноярск: Центр по защите леса.

© Е.В. Федотова, С.Т. Им, В.И. Харук, 2007