Способ выбора вида пород для плана озеленения
METHOD OF BREEDS SELECTION FOR GREENING PLAN

Изобретение относится к лесному хозяйству и может найти применение при планировании мероприятий по озеленению городских территорий.
Лес имеет не только сырьевое, но и средообразующее значение для санитарно-гигиенического состояния воздуха городских поселений, поскольку непосредственно поглощает углекислый газ и продуцирует кислород. Продуцирующая способность леса определяется объемом фитомассы: размерами крон деревьев, их густотой, высотой насаждений, количеством деревьев на одном га, составом пород. Наибольшей продуцирующей способностью и объемом фитомассы обладают широколистные породы: дуб, липа, клен, ясень. Однако в условиях техногенного и антропогенного угнетения, высоких уровнях загрязнения воздушной среды выбросами промышленных предприятий, продуктивность растительных ценозов может существенно меняться. Поэтому при планировании озеленения городских территорий важно знать реальные показатели устойчивости и продуктивности различных видов пород при известных значениях предельно допустимых концентраций.
Существуют методы оценки зависимости между приростом биомассы древостоя и концентрацией углекислого газа в атмосфере над древесным пологом.
Известен «Способ определения стока поглощаемого из атмосферы углерода древесной растительностью», Патент.ru №2.342.636, 2008 - аналог.
2
2
2
2
2
2
В способе-аналоге осуществляют зондирование лесов космическими средствами, получение изображения лесов в виде матриц [m×n] элементов зависимости функции яркости сигнала I(x, y) от пространственных координат, вычисление параметров древостоя по характеристикам матриц изображений, расчет концентрации загрязняющего вещества по отношению сигналов в каналах измерений спектральных полос поглощения основной компоненты воздуха и загрязняющего вещества, дополнительно изображения лесов получают одновременно в тех же спектральных полосах поглощения, на которых измеряют концентрацию углекислого газа (CO) и кислорода O в атмосфере, по трассе прохождения сигнала, концентрацию CO определяют на основе отношения сумм яркостей пикселей матриц изображений, соответствующих каналам CO и O, а сток углерода для данной концентрации CO над древесным пологом определяют через прирост биомассы древостоя, выражаемой через параметры структуры полога из соотношения:
где а - коэффициент пересчета углекислого газа в биомассу растительности,
0
3
v - расчетный запас насаждения в начале измерений, м,
Т - интервал наблюдений отслеживаемых лесных массивов, лет,
p1
p2
S, S - площади рельефов древесных пологов анализируемых участков в начале и конце интервалов наблюдений,
ср1
ср2
F, F - средняя частота пространственного спектра матриц изображений анализируемых участков в начале и конце интервалов наблюдений.
Недостатками аналога являются:
- невозможность вычленить из изображения лесного массива конкретный вид породы для дальнейшего анализа;
p
- виды пород городского озеленения, как правило, не образуют сплошного древесного полога, и его интегральные характеристики, как площадь рельефа изображения древесного полога (S), измерены быть не могут.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ определения рейтинга вида пород для плана озеленения», Патент Ru №2.588.212, A.01G, 23/00, 2015 г.
2
cp
ср
i
Способ ближайшего аналога включает составление каталога древесных пород обследуемого городского поселения с известной экологической обстановкой и соответствующей ему территории эталонного участка, проведение измерений техническими средствами: цифровой видеокамерой; цифровым видеоспектрометром; высотомером; счетчиком совокупности параметров, определяющих объем продуцирующей кислород биомассы каждого вида растений: площади сечения кроны S м; густоты кроны, как средневзвешенной пространственной частоты F [1/м] функции сигнала ее изображения I(х, y), цветности кроны как средневзвешенной длины волны λ [нм] коэффициента спектральной яркости, средней высоты h [м] насаждения данного вида, относительного числа здоровых N деревьев к общему их количеству N данной породы, нормирование измеренных показателей относительно их значений для эталонных участков, ранжирование показателей по мере убывания их значимости в объеме продуцирующей фитомассы, вычисление функции рейтинговой оценки R как средневзвешенной суммы относительных показателей каждого вида породы:
;
1
2
3
4
5
_
где ω, ω, ω, ω, ω весовые коэффициенты значимости, составление итоговой таблицы рейтинга видов пород.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- некорректное использование, при оценке рейтинга общетеоретических весовых коэффициентов, рассчитываемых по формуле Фишберна, применительно к лесному ценозу;
- не все критичные параметры вида, как то нормализованный вегетационный индекс (ИДVI), учтены при расчете рейтинга;
- критерий оценки вида (рейтинг) носит не технический характер.
Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в ранжировании вида пород в общем ценозе городских посадок по объему продуцирующей кислород биомассы, в условиях техногенных нагрузок относительно эталонного участка насаждений, не подверженного техногенному угнетению.
i
i
i
i
Технический результат достигается тем, что способ выбора вида пород для плана озеленения включает расчет объема продуцирующей кислород биомассы каждым видом в общем ценозе городских посадок в условиях техногенных нагрузок и эталонного участка не подверженного техногенному угнетению путем измерения совокупности показателей: относительного числа деревьев, оставшихся здоровыми ; средней высоты вида h; нормализованного вегетационного индекса НДVI; средней площади сечения кроны S'; густоты кроны как средневзвешенной частоты пространственного спектра изображения кроны F; вычисление объема Q биомассы вида как произведение перечисленных показателей,
;
i
i
i
определение разности ΔQ между объемом биомассы вида для эталонного и обследуемого участков, ранжирование вида пород по минимальному проценту потерь биомассы: ΔQ/Q [%].
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - семейство спектральных характеристик видов пород для расчета вегетационного индекса;
фиг. 2 - зависимость фитомассы (ф) от вегетационного индекса;
фиг. 3 - масштабирование площади сечения кроны по ее изображению и измерениям оптического высотомера;
фиг. 4 - семейство пространственных спектров изображений крон в зависимости от их густоты;
фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.
Техническая сущность способа состоит в следующем.
Основное назначение озеленения городских поселений - это очищение воздушной среды от вредных примесей при «вдохе» и продуцирование кислорода при «выдохе».
2
3
2
2
2
2
Все растения создают свою биомассу за счет усвоения атмосферных элементов C, O, N, H, CO, …, среди которых главными являются углерод, кислород, азот. Минимальным требованием к протеканию реакции фотосинтеза является наличие CO, воды HO, света, подходящей температуры воздуха и влажности. Исходная ассимиляционная формула поглощения углекислого газа растительностью [см., например, Крапивин В.Ф., Кондратьев К.Я. «Глобальные изменения окружающей среды: экоинформатика», СПб ГУ, Санкт-Петербург, 2002, стр. 155]
3
3
В среднем из 264 грамм углекислоты прирастает 180 грамм клетчатки (коэффициент стока: 264/180=1,47). Клетчатка расходуется на образование ствола дерева, корней, коры, сучьев, образующих крону, листвы, хвои. Биомасса последних [см., например, Н.П. Анучин «Лесная таксация», учебник, 5-е издание. Лесная промышленность, стр. 193-194] в зависимости от возраста, полноты и типа породы оценивается величиной 20…30% от биомассы ствола. Известна плотность древесины [см. там же, стр. 69-70] в зависимости от типа породы и влажности, которая составляет для сосны 525-625 кг/м, принимаемая за 100% и плотности пород соответственно: лиственница 130%, береза 128%, ольха 103%, осина 95%, ель 90%. Сам прирост запаса для бореальных лесов в зависимости от полноты и возраста насаждений изменяется в интервале от 3 до 8 мга/год, что составляет единицы процентов.
i
В гораздо больших интервалах изменяются внешние характеристики особи: высота, размер кроны, ее густота, цветность. Чем больше измеряемых параметров отдельного дерева, тем точнее должен быть результат оценки его продуцирующей способности. При оценке лесопатологического и санитарного состояния насаждений выявляют количество сухостойных ΔN и количество деревьев, оставшихся здоровыми N=N-ΔN.
i
Измерения проводят методом перечислительной таксации с использованием ручного инструмента - счетчика [см., например, Общесоюзные нормативы для таксации лесов, Справочник, М., Колос, 1992 г., стр. 150-152]. За параметр устойчивости вида принимают отношение N/N. Следующим существенным параметром вида является бонитет.
В качестве критерия продуктивности вида породы используют так называемые бонитировочные шкалы [см., там же, Общесоюзные нормативы для таксации лесов, Справочник, М., Колос, 1992 г., стр. 122-123, Бонитировочные шкалы].
i
Параметром бонитировочной шкалы является высота насаждения h, м. При обследовании насаждений используют оптический высотометр, как это иллюстрируется фиг. 3. Измеряют среднюю высоту h вида на обследуемом и эталонном участках.
Известна приближенная оценка фитомассы растительного покрова по цветности с использованием значений вегетационного индекса (NDVI) [см. В.М. Жирин, статья в научном сборнике «Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве», М., ЦЭППРАН, 1998 г., стр. 119-123].
1
где c - значения коэффициента спектральной яркости (КСЯ) растительности в диапазоне 0,58…0,68 мкм,
2
c - значения КСЯ в диапазоне 0,73…1,1 мкм.
Коэффициенты спектральной яркости видов пород иллюстрируются графиками фиг. 1. Зависимость фитомассы (условные единицы) от значений NДVI иллюстрируется графиком фиг. 2.
2
Следующим измеряемым показателем является размер кроны дерева в виде площади сечения кроны, S, [м]. На фиг. 3 иллюстрируется масштабирование цифрового изображения кроны породы по показаниям оптического высотомера. По измеренной высоте кроны (Н), м, определяют пространственное разрешение одного пикселя цифрового изображения кроны как  столбца изображения.
i
Затем цифровой видеокамерой осуществляют съемку всех насаждений данной породы на обследуемой территории и через устройство ввода изображения записывают в ПЭВМ для последующей обработки. Для обработки отснятых изображений используют специализированное программное обеспечение [см., например, «Обработка графики в Photoshop CS2», М., Издательство «Эксмо», 2007 г., для пользователей, глава 3. Методы выделения областей любой формы, стр. 48]. Посредством Photoshop выделяют кроны деревьев и рассчитывают разрешение одного пиксела. Площадь сечения одной кроны (S) находят как площадь одного пиксела, домноженную на количество пикселей в выделенной области (контуре кроны). Рассчитывают среднюю площадь сечения кроны данной породы на обследуемой территории:
Следующим биометрическим параметром является густота кроны. Ажурность кроны, ее архитектура, изрезанность (шероховатость), охвоенность (облиственность), скрытые периодичности чередования ветвей, листьев содержит частотно-спектральный образ функции сигнала изображения I(x,y).
Для получения спектра-образа используют математические процедуры Фурье-преобразования сигнала изображения. По определению [см., например, Н.С. Пискунов, Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, учебник, 5-е издание, т. II, Наука, М., 1964 г., стр. 180-182, 218-221, Ряды Фурье], пространственный спектр Фурье вычисляют как двумерное преобразование от функции сигнала изображения I(x,y) матрицы размером m×n элементов:
.
ср
Расчет спектра осуществляется алгоритмами быстрого Фурье-преобразования по специализированным программам, входящим в комплект программного обеспечения ПЭВМ типа MATH.CAD [см., например, Специализированное программное обеспечение MATH.CAD, 6.0, PLUS, издание 2-е, стереотипное, М., Информационно-издательский дом «Филинъ», 1997 г., стр. 441]. Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) изображений крон иллюстрируются графиками фиг. 4. В качестве густоты крон различных пород используют средневзвешенную величину пространственного спектра кроны F. Средневзвешенная величина пространственного спектра делит площадь под кривой графика фиг. 4 пополам.
i
i
эталон
i
i
этi
По результатам измерений совокупности параметров вычисляют объем продуцирующей биомассы вида Q для оцениваемого и эталонного участков и их разность ΔQ=Q-Q. Предпочтительность вида породы для плана озеленения в условиях техногенных нагрузок оценивают по минимальному проценту потерь ΔQ/Q.
Пример реализации способа.
6
Заявленный способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 5. Функциональная схема устройства содержит комплект (1) измерительных приборов в составе цифровой видеокамеры (2) типа Panasonic, модель ДМС-TZ 18 «Lumix», с разрешением 14,1*10 пикселей в кадре, цифровой видеоспектрометр (3) типа «Кварц» с разрешением до 3 нм, оптический высотометр (4) типа «Метра» (Чешская республика), ручной счетчик (5) перечислительной таксации, средства обработки измерительной информации на базе персональной ЭВМ (6) типа «Intel» в составе устройства ввода информации (7), процессора (8), оперативного запоминающего устройства (9), винчестера (10), дисплея (11), принтера (12), клавиатуры (13), устройства вывода (14), сопряженного с сетью «Internet».
В 2008-2012 гг. в рамках общегородского мониторинга состояния зеленых насаждений были обследованы семнадцать видов древесных и кустарниковых растений, произрастающих в сложных экологических условиях Бульварного кольца в г. Москва. Обследовано 4084 растения. Одной из целей обследования была выработка решений о перспективности использования этих видов для озеленения города. Каталог древесных пород обследуемого городского поселения представлен таблицей 1.
По операциям заявленного способа проведена сравнительная оценка устойчивости двух видов широколистных пород: липы крупнолистной и клена ясенелистного.
Результаты измерений и определение расчетного показателя: объема биомассы представлены таблицей 2.
эт
эт
По результатам измерений и последующих вычислений клен ясенелистный ΔQ/Q=28% более устойчив для озеленения в пределах Бульварного кольца, чем липа крупнолистная ΔQ/Q=39%.
Эффективность заявленного способа характеризуется высокой чувствительностью интегрального показателя к измеряемым параметрам, достоверностью и документальностью результатов обследования в виде оригиналов изображений крон и технологий их обработки.