Цифровая карта растительности севера Дальнего Востока России

Вестник ДВО РАН. 2010. № 4
УДК 581.9(4/518)
А.Н.ПОЛЕЖАЕВ
Цифровая карта растительности
севера Дальнего Востока России
Для совершенствования мониторинга биоразнообразия учета, рационального использования и охраны биоресурсов предложено применять обзорные крупномасштабные цифровые картографические модели, включенные в проекты информационных систем.
Ключевые слова: картографическое моделирование растительности, картометрия, информационные системы.
Digital map of vegetation of the North Far East of Russia. A.N.POLEZHAEV (Institute of Biological Problems
of the North, FEB RAS, Magadan).
Recommendations on usage of survey big scaled digital cartographic models are elaborated for improvement
of biodiversity monitoring, inventory, rational use and conservation of bioresources. These cartographic models are
included in the projects of information systems.
Key words: cartographic modeling of vegetation, cartometry, information systems.
Север Дальнего Востока России – обширный регион в совокупных административных границах трех субъектов Федерации: Камчатского края, Магаданской области и
Чукотского автономного округа. Со времен первопроходцев накоплено огромное количество знаний о природе этой труднодоступной территории, расположенной на северо-восточной окраине Евразийского материка, в том числе о растительном мире [9].
Научные методы, основанные на использовании современных компьютерных технологий обработки информации, позволяют унифицировать накопленные сведения в цифровой форме и cохранять в специализированных базах данных (БД). Синтез и анализ этих
данных дают возможность получить принципиально новые научные и практические результаты.
В лаборатории ботаники Института биологических проблем Севера с 1995 г. изучаются хорологические единицы растительного покрова надфитоценотического уровня.
Оригинальная методика исследований позволяет создавать обзорные крупно- и среднемасштабные цифровые карты растительности [6]. Основная цель исследований – разработка обзорных цифровых карт растительности севера Дальнего Востока и арктических
территорий России. Последовательно решены следующие задачи: сбор материалов, отработка методики и создание цифровых картографических моделей растительного покрова,
выявление ареалов типов комплексов растительности, уточнение границ распространения
основных древесных пород, геоботаническое районирование и др. Базовый масштаб карт
ПОЛЕЖАЕВ Алексей Николаевич – доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник (Институт биологических проблем Севера ДВО РАН, Магадан). E-mail: [email protected]
Статья написана по докладу на заседании Президиума ДВО РАН (3 марта 2010 г., Магадан).
Исследования поддержаны грантами Фонда МакАртуров, ESRI, GRID Arendal, посольства Канады, посольства
Королевства Нидерландов, Фонда Евразия, Фонда сохранения дикой природы, ФЦНТП «Биологическое разнообразие», РФФИ: 00-04-96209-р98арктика, 06-04-96049-р_восток_а, 06-05-64438-а, 08-05-08195-з, ДВО РАН
07-III-Д-06-056.
12
1 : 100 000–1 : 500 000. В качестве исходных данных для создания графической основы
таких карт послужили в основном материалы землеустройства оленьих пастбищ, в том
числе хозяйственно-геоботанические карты. Цифровые карты включены в проекты информационных систем, доступных в GIS ArcView ver.3.2.
Одно из преимуществ цифровых картографических моделей в проектах ГИС – возможность анализа содержащейся в базах данных атрибутивной информации, что позволяет дополнить качественную характеристику растительности геоботанических подразделений разного уровня, а также территорий в административных, хозяйственных границах
или произвольно выделенных на карте участков количественными показателями.
По этой методике впервые созданы цифровые картографические модели, из которых
наиболее значимы карты растительности М 1 : 200 000 Чукотского и Корякского АО, Магаданской области, севера Дальнего Востока в целом; М 1 : 500 000 арктических районов
Республики Саха (Якутия), Таймырского АО [5, 6]. На этих картах отображена растительность коренная, т.е. развивающаяся без существенного влияния человека, и потенциальная, которая формируется на месте уничтоженного растительного покрова или в условиях
антропогенных нарушений. Материалы наших исследований использованы в международном проекте по созданию Карты растительности циркумполярной Арктики (nsidc.org/
data/ggd639.html).
Методологические основы отображения растительности
на обзорных цифровых картах
Словарь понятий и терминов современной фитоценологии определяет растительность как совокупность сообществ (фитоценозов) и группировок растений, населяющих Землю [1]. Согласно концепции континуума, в природе отсутствуют дискретные
фитоценозы, сходные настолько, насколько сходны особи внутри одной популяции. Их
характеристика возможна только путем усреднения разнообразия объектов внутри условно определяемых границ неоднородностей – совокупностей растений в соседствующих
местообитаниях.
Геоботаник, изучая растительность, интуитивно (обычно опираясь на физиономическую характеристику сообществ, в первую очередь на доминантные виды, а также учитывая особенности изменения флористического состава) разделяет растительный покров
на условно отграниченные более или менее однородные (на глаз) части, определяя контуры растительности (хорологические единицы). Таким образом, он сводит непрерывность
(т.е. фитоценотический континуум) к дискретности, фиксируя последнюю в геоботаническом описании и на карте. Контуры растительности – части растительного покрова, выделяемые на основе общности флористического состава и структуры, – выступают в трех
ипостасях, т.е. могут обладать свойствами гомогенности; представлять сочетания растительных сообществ, связанных внутренним единством ландшафта; иметь клинальный характер. В последнем случае в пределах контура растительность постепенно и направленно
изменяется в связи с действием одного комплексного градиента, например высоты над
уровнем моря, увлажнения и т.д. Для типизации контуров растительности используют понятие территориальной единицы, или ценохоры.
Выделение и типизация контуров растительности – необходимый этап геоботанического картографирования, которое рассматривается нами как эффективный метод изучения закономерностей в распределении общностей растений. По существу, геоботаническая карта представляет собой модель, в которой графически отображается авторская
концепция растительного покрова той или иной территории.
В наших исследованиях фигурируют комплексы растительности как хорологические
единицы надфитоценотического уровня, отображаемые на геоботанических картах. Под
термином «комплекс растительности» мы понимаем сопряженное сочетание (комбинацию)
13
фитоценозов и группировок растений, сосуществующих в границах выделенных контуров определенной размерности. По масштабу и, следовательно, облигатности основных
признаков структуры выделялись ценохоры некартируемые (учетные комбинации) и картируемые в разных масштабах: мезо-, макро-, мегакомбинации.
В ранге комбинаций мы выделяем комплексы растительности как типологические учетные единицы, не фиксируемые в масштабе разрабатываемых нами цифровых обзорных
карт. В тундре, лесотундре и горах растительность, оказывая слабое воздействие на внешнюю среду, меняется на очень коротких расстояниях в зависимости от небольших изменений крутизны и направления склона, микрорельефа, степени увлажнения и т.д. Отдельные
общности растений занимают здесь относительно небольшие площади и поэтому не могут
быть отображены на картах М 1 : 100 000 и более мелких масштабов. Вместе с тем соседние
растительные сообщества, относящиеся к разным ассоциациям, и группировки растений
образуют закономерно повторяющиеся в сходных экологических условиях сочетания, которые мы определяем как комбинации. Номенклатурным типом комплекса растительности
в ранге комбинации является описание типичной сопряженной совокупности общностей
растений с указанием на ведущую общность и сопутствующую ей растительность. Как основные признаки типа комбинации приняты состав и структура преобладающей общности
растений. В качестве характеризующих признаков учитываются также экотопические условия: степень увлажнения, характеристика почв и грунтов, уровень мерзлоты, особенности микрорельефа, проявления эрозионных, нивальных, мерзлотных процессов, положение
в рельефе и другие показатели. При необходимости в характеристику типа комбинации
могут дополнительно включаться прикладные показатели: фитомасса кормовых растений,
оленеемкость, качество древостоя, запасы древесины и др.
При геоботаническом районировании комбинации позиционируются нами как элементарные комплексы (или морфотипы) растительности – условно вычленяемые в растительном покрове, относительно однородные контуры растительности, отличающиеся по
физиономическим характеристикам, флористическим и другим критериям от соседних
контуров растительности. Они учитываются при аэровизуальном геоботаническом обследовании с высоты 300–400 м для характеристики состава и структуры территориально
более крупных комплексов растительности.
В ранге мезокомбинаций мы выделяем комплексы растительности в границах полигонов цифровых геоботанических карт М 1 : 100 000–1 : 500 000. Номенклатурным типом
комплекса растительности в ранге мезокомбинации является усредненная характеристика
ее состава и структуры, слагаемых типами комбинаций. По природе связи элементов и
общим закономерностям их расположения различаются мезокомбинации с доминированием одного типа комбинаций растительности, содоминированием двух типов, примерно
равным участием трех и более типов.
При геоботаническом районировании контуры растительности в ранге мезокомбинации
позиционируются нами как микрорайоны. Микрорайоны выделяются на топографических
картах М 1 : 100 000–1 : 500 000 с учетом особенностей форм мезорельефа и взаимосвязи
комплексов растительности как основных признаков, учитываются также гидрография,
гидрология, микрорельеф, почвы и другие экологические характеристики. Площадь микрорайонов составляет от 100 га при значительном разнообразии растительного покрова до
3000 га при его относительном однообразии. Микрорайоны могут включать до 10 и более типов комбинаций растительности, представленных несколькими сотнями отдельных
относительно небольших участков. При аэровизуальном геоботаническом обследовании
для каждого микрорайона, включающего мезокомбинацию, определяется (в %) соотношение включенных в него участков разных типов комбинаций растительности. Учитываются
также места с нарушенным растительным покровом в результате воздействия пирогенного, зоогенного, техногенного факторов. На геоботанической карте микрорайоны отображаются отдельными полигонами.
14
В ранге макрокомбинаций мы выделяем комплексы растительности в границах полигонов цифровых геоботанических карт М 1 : 1 000 000–1 : 2 500 000 и более мелких масштабов. Номенклатурным типом комплекса растительности в ранге макрокомбинации является усредненная характеристика ее состава и структуры, слагаемых типами комбинаций.
По природе связи элементов и общим закономерностям их расположения различаются
макрокомбинации с доминированием одного типа комбинаций растительности, содоминированием двух типов, примерно равным участием трех и более типов.
При геоботаническом районировании контуры растительности в ранге макрокомбинации
позиционируются нами как районы. Районы выделяются при генерализации крупномасштабной геоботанической карты путем объединения соседних микрорайонов. Характеризуются районы составом и соотношением включенных в них типов комбинаций растительности. На геоботанической карте районы отображаются отдельными полигонами.
Комплексы растительности в границах полигонов карт геоботанического районирования мы выделяем как уникальные мегакомбинации. Номенклатурный тип комплекса
характеризуется составом и структурой, слагаемых типами комбинаций. При геоботаническом районировании мегакомбинации позиционируются как геоботанические районы,
полосы, области, колонки вертикальной поясности. В легендах наших карт растительности
приведены условные обозначения, названия и краткие характеристики типов комплексов
растительности в ранге комбинаций. Название типа комплекса растительности соответствует наименованию преобладающего в нем растительного сообщества. В необходимых
случаях название содержит указание на микрорельеф, степень увлажнения и другие особенности. Краткая характеристика типа комплекса растительности включает перечень основных видов растений данной общности.
Совершенствование системы управления биологическими ресурсами
на основе современных информационных технологий
В районах Крайнего Севера биологические ресурсы суши традиционно учитывались организациями, специализирующимися на лесо-, охотоустройстве, а также землеустройстве оленьих пастбищ. Сейчас на севере Дальнего Востока таких организаций нет.
Администрациям субъектов Федерации приходится периодически на конкурсной основе
привлекать исполнителей со всей России для инвентаризации биологических ресурсов на
своей территории. Это приводит к дополнительным затратам, финансовым рискам и не
гарантирует качества выполняемых работ. Подрядчики применяют для учета биоресурсов
существенно различающиеся методические подходы, поэтому при обобщении значимых
показателей часть полезной информации не может быть использована, затруднительно
дать комплексную экономическую оценку земельных угодий с учетом их биологической
продуктивности, осуществить мониторинг биоразнообразия. На севере Дальнего Востока
предлагается решить проблемы мониторинга, рационального использования и эффективного управления биоресурсами путем создания региональных информационных систем
для каждого субъекта Федерации в его административных границах. Предусматривается,
что в эту систему будут включены все имеющиеся сведения по отдельным видам биоресурсов и оперативно поступающая информация об их состоянии. Региональные информационные системы могут стать эффективным инструментом организации управления
природными ресурсами на всех уровнях: администрация края, области, округа – администрация района (муниципального образования) – конкретный пользователь ресурса.
Для каждого уровня управления создается проект ГИС, включающий цифровую картографическую модель растительного покрова М 1 : 100 000 или 1 : 200 000 и ресурсные базы
данных к ней. Организация системы мониторинга биологических ресурсов на основе региональных информационных систем, обеспечивающих их комплексный учет, имеет ряд
методических, экономических и иных преимуществ по сравнению с ведением раздельного
15
учета по отдельным видам ресурсов. Экономический эффект от построения такой системы складывается из экономии при планировании учета и оценки отдельных видов
биоресурсов, повышения оперативности при принятии решений об их рациональном использовании. Поскольку система создается на основе единого программного обеспечения, к информации по учету и оценке лесов, оленьих пастбищ, пищевых и лекарственных
растений, промысловых животных и пр. предъявляются унифицированные требования.
Проекты ГИС низшего уровня целиком включаются в проекты высшего уровня. Это дает
возможность оперативно учитывать текущие изменения в состоянии ресурса (например,
воздействие пирогенного или техногенного фактора) и быстро принимать решение по его
использованию (например, изменять маршрут стада по пастбищам в связи с образованием гололедицы). На низшем уровне проекты ГИС предоставляют пользователям ресурсы
кадастровой оценки конкретного земельного отвода для повседневной практической деятельности: анализа запасов сезонных кормов, учета текущих изменений на пастбищах
(гари, гололедные образования, места эпизоотий и пр.), составления маршрутов выпаса
стад и т.д.
Пилотные проекты информационных систем регионального уровня
Технология информационных систем позволяет создавать множество картографических моделей в зависимости от выбора атрибутов, внесенных в БД проекта,
а также предусматривает возможность редактирования цифровой графической основы
карт, поэтому все разработанные нами проекты ГИС рассматриваются как пилотные,
т.е. их можно совершенствовать с учетом новой информации (выделять или удалять полигоны на карте, включать в легенду дополнительные подразделения, вносить необходимые показатели и др.).
Проект территориальной ГИС «Растительность Севера Дальнего Востока России»
включает обзорную цифровую карту растительности М 1 : 200 000. Связанная с картой
БД включает сведения о составе комплексов растительности в ранге комбинаций для каждого из 84,1 тыс. выделенных на ней полигонов, индексы принадлежности последних к
единицам геоботанического районирования и другие показатели. Полная легенда карты
содержит более 200 типов комплексов растительности и их вариантов. Для наглядности расчленения растительного покрова на структуры разного уровня в легенде выделены
единицы геоботанического районирования в ранге области, подобласти, провинции, подпровинции. Внутри этих подразделений перечислены основные зональные типы комплексов растительности и комплексы растительности неплакорных местообитаний. Отдельно
приведены типы комплексов растительности гор. Для отображения на карте зональных закономерностей в распределении растительности достаточно выделить соответствующим
цветом или штриховкой ведущие для данной зоны (подзоны) типологические категории.
Следовательно, карта решает задачу не только выявления типологического разнообразия
комплексов растительности, но и отображения крупных мезо- и макроструктур растительного покрова.
Проект ГИС «Растительность Севера Дальнего Востока» открыл новые перспективы
для научных и прикладных исследований. Появилась возможность аккумуляции знаний
для более детального изучения растительного покрова по принципиально новой схеме –
на основе учета особенностей растительности в границах каждого полигона. Для удобства
мониторинга границы полигонов зафиксированы на 350 листах топографической карты
М 1 : 200 000. При использовании в справочных, медийных и учебных целях БД может
быть дополнена цифровыми имиджами, гипертекстовыми страницами, аудио- и видеофайлами.
Для применения в прикладных целях единое полигональное покрытие цифровой карты проекта было разделено на части в соответствии с конфигурацией административных
16
границ. Эти части включены в проекты региональных ГИС: Чукотского АО – 28,8 тыс.,
Корякского АО – 24,5 тыс., Магаданской области – 24,6 тыс. полигонов. Карта растительности Магаданской области (см. 3-ю сторонку обложки) доступна на сайте «Флора и фауна Магаданской области» (http://www.neisri.magadan.su/academnet/infocentr/f_f/).
В рамках проекта ГИС «Растительность Севера Дальнего Востока» созданы картографические модели ареалов типов комплексов растительности в ранге комбинаций, ареалов
основных ценозообразователей (деревьев, стлаников, кустарников, кустарничков, мхов,
лишайников), геоботанического районирования и др. Путем генерализации графической
и атрибутивной составляющих проекта получены варианты мелкомасштабных карт растительности [2, 3, 8].
При создании картографических моделей ресурсных и экологических факторов стандартные базы данных атрибутов полигонов цифровых карт растительности в проектах
ГИС дополнялись необходимыми показателями.
Для карт пастбищ северных оленей в базу данных внесены показатели участия
(%, площадь) типов комплексов растительности в ранге комбинаций, запасов сезонных
кормов, оленеемкости по шести сезонам содержания, принадлежности полигона к массиву сезонных пастбищ и конкретному землепользованию. В результате получены картографические модели землепользования, ареалов типов пастбищ, сезонных пастбищ,
запасов сезонных кормов, оленеемкости пастбищ и др. Проекты ГИС по пастбищам
северных оленей разработаны для Магаданской области, Чукотского и Корякского автономных округов [7].
Дополнение базы данных атрибутов полигонов показателями деградации угодий в результате пожаров, перевыпаса, техногенного воздействия дало возможность разработать
картографические модели влияния этих факторов на растительность.
Пилотный проект информационной системы
административного района
Оленеводство – единственная отрасль сельскохозяйственного производства,
полностью адаптированная к природно-климатическим условиям Севера. Ресурсы подножных кормов на естественных пастбищах позволяют содержать на севере Дальнего
Востока до 1 млн домашних северных оленей. От этого стада можно ежегодно получать
свыше 20 тыс. т мяса, что составляет примерно около 50% потребности местного населения в этом продукте питания, а также большое количество дополнительной продукции:
пантов, шкур, окостеневших рогов, субпродуктов, эндокринного сырья и пр. Из других
биологических ресурсов население использует рыбу, промысловых животных, дикорастущие лекарственные и пищевые растения.
Проект районной ГИС осуществлен на примере Северо-Эвенского национального
района Магаданской области. В нем впервые реализована идея комплексного учета биологических ресурсов на территориях традиционного природопользования коренных малочисленных народов Севера. Для отображения гидрографии, элементов топографии,
хозяйственных и административных границ в проект районной ГИС вместе с полигональным покрытием карты растительности внесены дополнительно линейные и точечные покрытия. В БД атрибутов полигонов вместе с показателями по растительности и пастбищам
северных оленей включены показатели принадлежности полигона конкретному пользователю охотугодий, длине водотоков и площади озер; продуктивности по видам промысловых животных. Получены картографические модели растительности, пастбищ северных
оленей, охотугодий, запасов кормовых растений, продуктивности охотугодий по видам
промысловых животных (млекопитающих, птиц, рыб) и др. [4].
17
Пилотные проекты информационных систем для пользователей
биологическими ресурсами
Наша методическая разработка «Типовой проект пастбищеустройства оленеводческого хозяйства» создана для прикладного использования [7]. Благодаря ей владелец
стада может хранить в персональном компьютере, анализировать и оперативно использовать всю необходимую информацию. Проект ГИС включает цифровую карту пастбищ
М 1 : 200 000 с поконтурной базой данных. Слои графической информации на карте: гидрография, дороги, производственные сооружения (изгороди, корали, домики на маршрутах, перевалбазы), границы хозяйства и производственных участков, полигоны пастбищ.
Используя БД к слою полигонов, можно создать серию хозяйственных карт, например сезонных пастбищ, запасов отдельных видов кормов, оленеемкости и др.
Информационные системы существенно облегчают планирование мероприятий по
организации полноценного содержания и кормления оленей, рациональному использованию и охране пастбищ, поскольку пользователь может самостоятельно дополнять и корректировать графическую и атрибутивную информацию. Например, отображать площади угодий, поврежденные пожарами, покрытые льдом или снизившие запасы кормов в
результате перевыпаса, выделять сезонные пастбища, прокладывать по карте маршруты
движения стад и многое другое. На карту с помощью программных инструментов при необходимости наносятся надписи, маршруты стад, условные обозначения производственных сооружений и др.
Использование хозяйственных проектов ГИС позволяет рационализировать и оптимизировать производственный процесс в оленеводстве.
Создание проектов информационных систем на основе цифровых крупномасштабных
карт растительности соответствует современному мировому уровню представления информации. Цифровые карты проектов ГИС выгодно отличаются от печатных аналогов тем,
что к ним можно оперативно направлять информационно-справочные запросы, осуществлять пространственный анализ имеющихся в базе атрибутов данных и т.д. Реализация в
проекте ГИС «Растительность Севера Дальнего Востока России» концепции создания
информационных систем для достаточно обширных территорий на основе обобщенных
крупномасштабных карт позволила получить новые сведения о составе и структуре преобладающих комплексов растительности, показать их пространственное распределение,
отобразить выявленные закономерности в картографических моделях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Миркин Б.М., Розенберг Г.С., Наумова Л.Г. Словарь понятий и терминов современной фитоценологии.
М.: Наука, 1989. 223 с.
2. Полежаев А.Н. Карты растительности и оленьих пастбищ Чукотского автономного округа (М 1 : 5 000 000)
// Географический атлас Чукотского автономного округа. М.: Дизайн, Информация, Картография, 2004. С. 24-27.
3. Полежаев А.Н. О некоторых закономерностях в распределении растительности на Крайнем СевероВостоке Азии // Вестн. СВНЦ ДВО РАН. 2007. № 1. С. 51-57.
4. Полежаев А.Н. О совершенствовании управления биологическими ресурсами на Севере Дальнего Востока
России // «Интеркарто-15»: материалы междунар. конф. Т. 2. Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2009. С. 532-542.
5. Полежаев А.Н., Щелкунова Р.П., Карпов Н.П. Проект ГИС «Карта растительности арктических территорий
Республики Саха (Якутия)» // ГИС для устойчивого развития территорий: материалы междунар. конф. СПб.:
Карта, 2002. С. 174-177.
6. Полежаев А.Н. Растительность Севера Дальнего Востока России в информационных системах // Экология.
2009. № 3. С. 180-186.
7. Полежаев А.Н., Подковыркина Н.Е., Глушнева М.П. и др. Рациональное использование растительных
ресурсов для устойчивого развития домашнего оленеводства и промысла диких оленей на Севере Дальнего
Востока: рекомендации. Магадан: Новая типография, 2006. 20 с.
8. Полежаев А.Н. Современное состояние пастбищ домашних северных оленей в Чукотском АО // Аграрная
Россия. 2000. № 3. С. 29-36.
9. Татарченков М.И. История изучения и состояние исследований флоры и растительности Северо-Востока
СССР // Биол. проблемы Севера: тр. СВКНИИ ДВО РАН. 1971. Вып. 42. С. 158-173.
18