ISSN: 0024-1148 Лесоведение. 2016 № 1. С. 3-14
МНОГОЛЕТНЯЯ ДИНАМИКА ВЕГЕТАЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ ТЕМНОХВОЙНЫХ ЛЕСОВ ПОСЛЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ СИБИРСКИМ ШЕЛКОПРЯДОМ
В. М. Жирин, С. В. Князева, С. П. Эйдлина
Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН
117799 Москва, ул. Профсоюзная, 84/32
E-mail: knsvetl@gmail.com
Поступила в редакцию 14 мая 2015 г.
В статье представлены результаты многолетней динамики вегетационных индексов, полученных по космическим снимкам Landsat за период с 1989 по 2014 г., которые характеризуют как фоновое, так и измененное (нарушенное) состояние лесов из-за массовой гибели и повреждения насаждений темнохвойной тайги сибирским шелкопрядом в 1994–1996 гг. Исследование проведено на примере лесного массива модельной территории Приангарского лесного таёжного района Восточной Сибири (Красноярский край). В качестве показателей динамики использованы значения спектральной яркости космических снимков в виде производных индексных изображений – вегетационного индекса NDVI и коротковолнового вегетационного индекса SWVI. В исследовании использованы данные лесоустройства 1992 г., информация о степени повреждения лесов в первый (1995 г.) и второй (1996 г.) годы вспышки размножения сибирского шелкопряда, полученная в результате лесопатологических обследований с использованием спектрозональной аэрофотосъемки производственного масштаба. Анализ фоновых значений вегетационных индексов показал, что с возрастом насаждений, исключая стадию молодняков, средние значения индексов постепенно снижаются или остаются на одном уровне, кроме светлохвойных лесов 200-летнего возраста. Высокая сезонная изменчивость индекса NDVI по сравнению с SWVI обусловила использование космических данных в пределах одной недели июня разных лет съемки для анализа многолетней динамики. Экспериментально подтверждено, наряду с выводами ряда исследователей, что наиболее информативным для оценки степени повреждения лесов сибирским шелкопрядом является коротковолновый вегетационный индекс SWVI (не только его среднее значение, но и коэффициент вариации). Дистанционными методами рекомендовано выделять три степени повреждения насаждений сибирским шелкопрядом: слабое, среднее и сильное (сплошное). При оценке многолетней динамики вегетационных индексов нарушенных лесов отмечается демутация растительного покрова, его неоднородность. Высока вероятность, обусловленная интенсивностью и частотой лесных пожаров, утраты в будущем возможности восстановления исходных темнохвойных лесов, в связи с чем целесообразна организация регулярного космического мониторинга шелкопрядников. Результаты, представленные в статье, получены при выполнении фундаментальных научных исследований по теме госзадания “Концепция спутникового мониторинга состояния и динамики лесных экосистем” (0110-2014-0001).
- Ключевые слова: космические снимки, вегетационные индексы, состояние лесов, сибирский шелкопряд.
Список литературы
1. Аэрокосмический мониторинг лесов / Под ред. Исаева А.С., Сухих В.И. М.: Наука, 1991. 241 с.
2. Барталев С.А., Ершов Д.В., Исаев А.С. Оценка дефолиации лесов по многоспектральным спутниковым изображениям методом декомпозиции спектральных смесей // Исследование Земли из космоса. 1999. № 4. С. 78-86.
3. Барталев С.А., Курятникова Т.С., Стибиг Х.Ю. Методы использования временных серий спутниковых изображений высокого пространственного разрешения для оценки масштабов и динамики вырубок таежных лесов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2005. Т. 2. № 2. С. 217-227.
4. Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Щетинский В.Е. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (состояние и перспективы развития) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2008. Вып. 5. Т. II. С. 419-429.
5. Белова Е.И., Ершов Д.В. Предварительная обработ- ка временных серий изображений Landsat-TM/ETM+ при создании безоблачных композитных изображений местности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 1. С. 73-82.
6. Гродницкий Д Л., Разнобарский В.Г., Ремарчук Н.П., Солдатов В.В. Деградация древостоев в таежных шелкопрядниках // Сибирский экологический журнал. 2002. № 1. С. 3-11.
7. Гродницкий Д.Л. Сибирский шелкопряд и судьба пихтовой тайги // Природа. 2004. № 11. С. 31-40.
8. Елсаков В.В., Кулюгина Е.Е. Растительный покров Югорского полуострова в условиях климатических изменений последних десятилетий // Исследование Земли из космоса. 2013. № 1. С. 60-70.
9. Елсаков В.В., Тетерюк Л.В. // Исследование Земли из космоса. 2012. № 3. С. 78-93.
10. Жирин В.М. Дистанционное зондирование при изу- чении динамики лесных экосистем за рубежом. Обзорная информация. М.: ВНИИЦлесресурс. 1993. 40 с. (Лесоводство и лесоразведение. Вып. 2).
11. Жирин В.М., Барталев С.А., Ершов Д.В. Спектрометрическая оценка состояния древесных растений при мониторинге лесов // Проблемы мониторинга и моделирования динамики экосистем. М.: Эколес, 1995. С. 24-42.
12. Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Эколого-динамическое исследование лесообразовательного процесса по космическим снимкам // Лесоведение. 2013. № 5. С. 76-85.
13. Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Динамика спектральной яркости космического изображения лесных экосистем // Лесоведение. 2014. № 5. С. 3-12.
14. Золотокрылин А.Н., Коняев К.В., Титкова Т.Б. Зависимость между аномалиями индекса вегетации и аномалиями месячных сумм осадков в зоне умеренного и недостаточного увлажнения // Исследования Земли из космоса. 2000. № 6. С. 74-78.
15. Им С.Т., Федотова Е.В., Харук В.И. Анализ очагов повреждения таежных лесов сибирским шелкопрядом по данным мелкомасштабной космосъемки // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12. Спец. Вып. 1. С. 60-69.
16. Им С.Т., Федотова Е.В., Харук В.И. Спектрорадиометрическая космосъемка в анализе зоны вспышки массового размножения сибирского шелкопряда // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2008. Т. 1. № 4. С. 346-358.
17. Исаев А.С., Кондаков Ю.П. Принципы и методы лесоэнтомологического мониторинга // Лесоведение. 1986. № 4. С. 3-12.
18. Исаев А.С., Киселев В.В., Калашников Е.Н., Плеши- ков Ф.И., Черкашин В.П. Геоинформационные системы в прогнозировании и контроле массового размно- жения лесных насекомых // Лесоведение. 1999. № 5. С. 15-23.
19. Исаев А.С., Коровин Г.Н. Крупномасштабные изменения в бореальных лесах Евразии и методы их оценки с использованием космической информации // Лесоведение. 2003. № 2. С. 3-9.
20. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Лукина Н.В., Сухих В.И., Ершов Д.В. Катастрофические воздействия антропогенных и природных факторов на лесные экосистемы. Изменение окружающей среды и климата. Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Т. 4. Процессы в биосфере: изменения почвенно-растительного покрова и территориальных вод РФ, круговорот веществ под влиянием глобальных изменений климата и катастрофических процессов / Отв. ред. Г.А. Заварзин, В.Н. Кудеяров. Пущино; М.: ИФХ и БПП РАН, ИФЗ РАН, 2008. С. 66-79.
21. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований: Учеб. для студентов вузов. Изд. 2-ое, доп. и пер. М.: Издательский центр “Академия”, 2011. 416 с.
22. Коломиец Н.Г. Паразиты и хищники сибирского шелкопряда. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962. 147 с.
23. Кондаков Ю.П. Массовые размножения сибирского шелкопряда в лесах Красноярского края // Энтомологические исследования в Сибири. 2002. Вып. 2. С. 25-74.
24. Королева Н.В., Ершов Д.В. Анализ динамики лесного покрова Нижнего Приангарья Красноярского края за последние 20 лет по спутниковым данным Landsat // Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве: Докл. V Всерос. конф. (с междунар. участием), посвященной памяти выдающихся ученых-лесоводов В.И. Сухих и Г.Н. Коровина. М.: ЦЭПЛ РАН, 2013. С. 157-160.
25. Куулар Х.Б. Применение данных LANDSAT для оценки площади пожаров Уюкского хребта // Исследование Земли из космоса. 2014. № 5. С. 76-82.
26. Методы мониторинга вредителей и болезней леса: Справочник. Том III. Болезни и вредители в лесах России / Под общ. ред. В.К. Тузова. М.: ВНИИЛМ, 2004. 200 с.
27. Мягкова Д.А., Ершов Д.В. Выявление и оценка масштабов усыхания еловых лесов по спутниковым данным на примере нескольких районов Московской области. Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве: Докл. V Всерос. конф. (с междунар. участием), посвященной памяти выдающихся ученых-лесоводов В.И. Сухих и Г.Н. Коровина. М.: ЦЭПЛ РАН, 2013. С. 190-192.
28. Рожков А.С. Массовое размножение сибирского шелкопряда и методы борьбы с ним, издательство. М.: Наука, 1965. 180 с.
29. Силкина О.В., Винокурова Р.И. Сезонная динамика содержания хлорофиллов и микроэлементов в формирующейся хвое Abies sibirica и Picea abies // Физиология растений. 2009. Т. 56. № 6. С. 864-870.
30. Сухих В.И., Синицын С.Г., Апостолов Ю.С., Данюлис Е.П., Жирин В.М., Мороз П.И., Рукосуев Г.Н., Эльман Р.И. Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. М.: Лесная промышленность, 1979. 288 с.
31. Уваров И.А., Ершов Д.В., Крылов А.М., Барталев С.А., Лупян Е.А. Информационная система космического мониторинга санитарного состояния лесов “ВЕГА - лесопаталог”. Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве: Докл. V Всерос. конф. (с междунар. участием), посвященной памяти выдающихся ученых-лесоводов В.И. Сухих и Г.Н. Коровина. М.: ЦЭПЛ РАН, 2013. С. 312 - 314.
32. Фуряев В.В. Шелкопрядники тайги и их выжигание. М.: Наука, 1966. 92 с.
33. Харук В.И., Кожуховская А.Г., Пестунов И.А., Рэнсон К.Дж., Цибульский Г.М. Съемка NOAA/AVHRR в мониторинге вспышек сибирского шелкопряда // Исследование Земли из космоса. 2001. № 1. С. 80-86.
34. Харук В.И., Рэнсон К.Дж., Кузьмичев В.В., Буренина Т.А., Тихомиров А.Ю., Им С.Т. Съемка “Landsat” в анализе шелкопрядников Южной Сибири // Исследование Земли из космоса. 2002. № 4. С. 79-90.
35. Черенкова Е.А. Использование спутниковых данных для анализа изменения влажности почвы и состояния растительного покрова юга Европейской России в конце XX - начале XXI века // Исследование Земли из космоса. 2011. № 6. С. 80-87.
36. Черепанов А.С. Вегетационные индексы // Геоматика. 2011. № 2. С. 98-102.
37. Шарый П.А., Шарая Л.С. Изменение NDVI лесных экосистем Северного Кавказа как функция рельефа и климата // Лесоведение. 2014. № 5. С. 83-90.
38. Ямбург С.Е. Использование материалов аэрофотосъемки при лесопатологическом обследовании лесов. Автореф. дис. канд. с-х.н. Красноярск: СибТИ, 1980. 18 с.
39. Chander G., Markham B.L., Helder D.L. Summary of current radiometric calibration coefficients for Landsat MSS, TM, ETM+, and EO-1 ALI sensors // Remote Sensing of Environment. 2009. N 113. P. 893-903.
40. Dottevio C.L., Williams D.L. Satellite technology: An improved means for monitoring forest insect defoliation // Journal of Forestry. 1983. V. 81. N 1. P. 30-34.
41. Fraser R.H., Latifovic R. Mapping insect-induced tree defoliation and mortality using coarse spatial resolution satellite imagery // International Journal of Remote Sensing. 2005. V. 26. N 1. P. 193-200.
42. Gao B.C. NDWI − A normalized difference water index for remote sensing of vegetation liquid water from space // Remote Sensing of Environment. 1996. V. 58. N 3. P. 257-266.
43. Kharuk V.I., Ranson K.J., Kozuhovskaya A.G., Kondakov Y.P., Pestunov I.A. NOAA-AVHRR Satellite Detection of Siberian Silkmoth Outbreaks in Eastern Siberia // International Journal of Remote Sensing. 2004. V. 20. N 24. P. 5543-5555.
44. Kogan F.N. Vegetation index for areal analysis of crop conditions // Proceedings. 18th Conference on Agriculture and Forest Meteorology. 1987. American Meteorology Society. West Lafayette (IN). P. 103-106.
45. Kovacs K., Ranson K.J., and Kharuk V.I. Detecting Siberian silk moth damage in central Siberia using multitemporal MODIS data // In 2005 International Workshop on the Analysis of Multi-Temporal Remote Sensing Images, May 16-18 2005, Biloxi, MS, USA. P. 25-29.
46. Peng Y., Gitelson A.A., Keydan G., Rundquist D.C., Moses W. Remote estimation of gross primary production in maize and support for a new paradigm based on total crop chlorophyll content // Remote Sensing of Environment. 2011. V. 115. P. 978-989.
47. Potapov P.V., Turubanova S.A., Tyukavina A., Krylov A.M., McCarty J.L., Radeloff V.C., Hansen M.C. Eastern Europe’s forest cover dynamics from 1985 to 2012 quantified from the full Landsat archive // Remote Sensing of Environment. 2015. V. 159. P. 28-43.
48. Skakun R.S., Wulder M.A., Franklin S.E. Sensitivity of the thematic mapper enhanced wetness difference index to detect mountain pine beetle red-attack damage // Remote Sensing of Environment. 2003. V. 86. P. 433-443.
49. Vogelmann J.E., Tolk B., Zhu Z. Monitoring forest changes in the southwestern United States using multitemporal Landsat data // Remote Sensing of Environment. 2009. V. 113. P. 1739-1748.