Применение ГИС-технологий в устойчивом управлении торфяниками

  • Раздел: Болота
  • Автор: Volha Kaskevich
  • Дата: 24.04.2020, 14:52

В настоящее время происходит переосмысление роли торфяников и признание важности их многочисленных функций, включающих смягчение последствий изменения климата, регулирование стока и улучшение качества воды, сохранение биоразнообразие и другие важные экосистемные услуги. Вместе с этим пришло и понимание необходимости их сохранения, восстановления и устойчивого управления их использованием.

В свою очередь, эта осведомленность выявила необходимость более глубокого понимания особенностей и масштабов территориального расположения торфяников, как естественных, так и искусственных, особенно там, где торфяники испытывали значительные нарушения вследствие эксплуатации. Пришло понимание того, что в дополнение к таким элементам информации, использующейся для управления, как топография и тип торфа, необходимо получить представление и о многих других деталях, включая локальные изменения в топографии. Например, искусственный дренаж на торфяниках и связанные с ним эрозионные овраги способствуют локальному дренажу и являются основной причиной изменения уровня грунтовых вод, что приводит к долгосрочному воздействию на гидрологию торфяников, их экологической структуры и функций. Даже старые, частично повторно заросшие растительностью дренажные канавы продолжают действовать как искусственные пути для потоков воды и из-за локальных изменений в топографии в результате долгосрочного оседания поверхности торфа рядом с дренажными канавами[7].

Необходимость инвентаризации и всесторонней оценки состояния торфяников признается на глобальном, региональном и местном уровнях.

Пространственная информация о размещении и особенностях торфяников необходима для того, чтобы оценить их состояние, способность выполнять гидрологические функции, риски торфяных пожаров, угрозу местам обитания видов и т.п. Без этой информации невозможно разрабатывать и реализовывать полноценные стратегии для защиты и устойчивого использования торфяников.

Тем не менее, подробные и полные карты торфяников до недавнего времени не существовали. Разработанные позже карты торфяников не включали многие восточноевропейские страны и европейскую часть России. Карта Европейской базы данных European Soil Database (European Soil Bureau 2004, 1:1,000,000) охватывает весь материк, но на ней не отмечены торфяные почвы в различных в различных районах Швеции, Дании, Литвы и почти всех стран Юга Европы.

В 2006 году была создана карта торфяников (Montanarella et al., 2006), для которой был объединен набор данных OCTOP dataset и European Soil Database. Эта карта также не включала в себя большую часть Европы (например, Беларусь, Исландию, Молдову, Российскую Федерацию, Шпицберген и Украину). В 2009 году было проведено исследование LUCAS – Land use and land cover survey, изучавшее состояние верхнего слоя почве в странах ЕС для создания карты прогнозируемых запасов органического углерода в почве с использованием сценариев изменения климата.

До недавнего времени технологии ГИС (геоинформационные системы) не использовались широко для исследования и инвентаризации торфяников, данные о состоянии почв и растительности в различных странах редко были полностью доступными и хранились в форматах, которые было почти невозможно комбинировать и гармонизировать в региональном масштабе. Такая гармонизация была несколько улучшена в последнее десятилетие, как видно из приведенных выше примеров, но только на уровне ЕС.

Только недавно была создана карта торфяников Европы как географического региона[8].

Первой всеобъемлющей картой торфяников Европы является карта, составленная Международной рабочей группой по сохранению болот (International Mire Conservation Group, IMCG) на основе баз данных по отдельным странам по материалам книги «Болота и торфяники Европы». В ходе составления книги стало ясно, что большинство стран в наши дни владеют либо данными о распределении торфяников из ГИС, либо косвенными данными, которые позволяют получить удовлетворительное представление о ситуации. Таким образом, в настоящее время есть возможность предоставить сводную карту на основе национальных баз данных, покрывающую всю территорию Европы.

Карта построена путём объединения баз данных по отдельным странам в рамках геоинформационной системы (ГИС) с сохранением картографического масштаба исходных данных.Значение общей площади торфяников в Европе, полученное с помощью данного подхода, составляет 593 727 км². Площадь, покрываемая болотами, превышает 320 000 км² (около 54% от общей площади торфяников). Если учесть мелкие (толщиной менее 30 см) торфяники в европейской части России, суммарная площадь торфяников в Европе составит более чем 1 000 000 км², то есть почти десять процентов от общей их площади. Сводные национальные реестры данных о торфяниках, могут быть использованы для выявления пробелов и определения первоочередных зон полевых исследований. С помощью этих данных может быть проведена перекрёстная сверка и отладка картографических методов, основанных на дистанционном зондировании.

Применяемое понятие «торфяник» включает в себя все природные территории, где есть слой торфа, глубина залегания которого отличается в зависимости от разных стран.

На карте показано распределение торфяных и органических почв. Малые и редко встречающиеся торфяники в странах Европы (в основном, на юге) изображены слегка увеличенными; более светлая штриховка на карте европейской части России означает толщину торфяного слоя менее 30 см.

Карта торфяников Европы. Источник: F. Tanneberger et al. THE PEATLAND MAP OF EUROPE
Карта торфяников Европы. Источник: F. Tanneberger et al. THE PEATLAND MAP OF EUROPE

Таким образом, в последнее время наблюдается стойкий интерес к организации устойчивых методов управления в масштабе ландшафта. Необходимость картирования, инвентаризации и мониторинга в масштабе ландшафта – задача, которую сложно решить с использованием только лишь традиционных наземных методов. Так, например, в контексте устойчивого управления торфяниками, ландшафтный подход позволяет идентифицировать как уязвимые (деградированные) торфяники, так и нетронутые функционирующие болотные экосистемы, которые могут подвергаться риску из-за их близости к деградированным зонам или особенностям дренажа. Информация, необходимая для обоснования управления восстановлением, должна включать также мелкомасштабные или микротопы, чтобы полностью оценить изменения в структуре и функциях торфяников. Необходимо, например, составлять карты характеристик естественной эрозии и оценивать элементы искусственного линейного дренажа в масштабе менее 1 метра. Такие всесторонние, мелкомасштабные региональные картографические исследования торфяников все еще редки[7].

Все эти факторы обуславливают необходимость инвентаризации – сбора и систематизации данных о расположении, площади, типе, состоянии, экологических условиях, видах использования и ценности торфяных болот.

Данные инвентаризации обеспечивают основу для мониторинга состояния болот, планирования, проведения и оценки эффективности мероприятий по их восстановлению и использованию.

Комплексная методика инвентаризации торфяных болот включает в себя сбор существующей информации и карт, данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) – космических снимков высокого и сверхвысокого разрешения – и внесения этой информации в единую базу данных с ГИС (геоинформационные системы).

Геоинформационные системы все чаще находят применение во многих областях человеческой деятельности. ГИС представляет собой современную компьютерную технологию для картографирования и анализа объектов реального мира, происходящих и прогнозируемых событий и явлений. Геоинформационные системы наиболее естественно отображают пространственные данные.

ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных – запрос и статистический анализ – с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений.

Из всего многообразия можно выделить три группы определений ГИС:

• ГИС – это информационная система (или особый случай информационной системы), т.е. систематизированный и структурированный набор данных, имеющих пространственную привязку;

• ГИС – это набор программных инструментов для обработки (сбора, хранения, поиска, анализа, манипулирования, визуализации) пространственных данных;

• ГИС – это комплекс наборов данных, имеющих пространственную привязку, и аппаратно-программных средств для их обработки.

Первая группа определяет суть ГИС, вторая – ГИС-платформу, третья – конкретную реализацию ГИС-проекта.

Данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых задач, касающихся пространственной информации. Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов.

Тематические слои ГИС. Источник: novaum.ru
Тематические слои ГИС. Источник: novaum.ru

Пространственный анализ может предоставить информацию для обоснования реалистичных и территориально определенных целей восстановления торфяников. Пространственный анализ представляет собой произведение вычислительных операций над геоданными с целью извлечения из них дополнительной информации. Обычно пространственный анализ выполняется в ГИС-приложениях. ГИС-приложения имеют специализированные инструменты пространственного анализа для статистики объектов (например, определяет, из скольких вершин состоит полилиния) или для геообработки (например, интерполяция). Используемые инструменты зависят от области применения. Так, анализ рельефа с целью моделирования водного стока позволяет прогнозировать влияние деградировавшего торфяника на гидрологический режим окружающей территории, пожароопасность, состояние биоразнообразия и т.п.. Можно использовать аналитические функции, помогающие выявить взаимоотношения между территориями дикой природы и освоенными областями.

Каждый пользователь сам определяет используемые инструменты в зависимости от того, какие проблемы ему нужно решить[5].

Процесс инвентаризации торфяников по комплексной методике можно рассмотреть на примере выполнения этих работ в рамках проекта «Восстановление торфяных болот в России в целях предотвращения пожаров и смягчения изменений климата». Инвентаризация состоит из следующих этапов: «точкование» торфяных болот с внесением информации в базу данных ГИС, оконтуривание границ торфяных болот, внесение уточнений по имеющимся данным и актуализация информации.

На первом этапе за основу берутся доступные справочники и карты месторождений торфа (в данном проекте использовались карты Российского геологического фонда). В основном это материалы середины 20 века, так что эта информация зачастую устаревшая и требует актуализации. Затем полученная информация актуализировалась экспертами по данным ДЗЗ. Данные ДЗЗ должны по возможности удовлетворять следующим требованиям:

• мультиспектральная съемка должна быть с наличием ближнего инфракрасного канала – наиболее информативного при дешифрировании растительного покрова и состояния поверхности торфяников;

• высокое разрешение съемки для уверенного дешифрирования объектов площадью до 0,5 га;

• сплошное покрытие территории, по которой собирается информация, безоблачной (малооблачной) съемкой в течение вегетационного сезона (май – сентябрь) за несколько лет;

• приемлемая стоимость данных.

Как показал анализ глобальных архивов, исходным требованиям в наибольшей степени соответствует мультиспектральная съемка SPOT 5 с размером пикселя 10 м. Из отдельных снимков формируется мозаика, покрывающая интересующий регион.

В процессе данной работы был проведён поиск торфяных месторождений на космических снимках, в результате чего полученная по первому этапу информация была скорректирована и дополнена объектами, не попавшими в данные торфяного фонда. По всем объектам в ГИС информация вносится в атрибутивную таблицу: название объекта, площадь торфяной залежи в промышленной и нулевой границе, мощность, запас и тип торфа, какие ручьи или реки берут начало на болоте. Для торфяных месторождений также указывается дополнительная информация: проводилась ли разработка для добычи торфа, осушение, затопление, использование под сельское хозяйство, какова природоохранная ценность болота и др.

Данные инвентаризации уточняются путем проведения натурных исследований и консультаций с землепользователями и местными экспертами.

В качестве примера использования геоинформационной системы для управления торфяниками в Беларуси можно привести ГИС гидрографической сети ландшафтного заказника «Званец», которая была создана в результате обработки графических материалов (топографических карт, аэрофотоснимков и т.д.) специалистами Брестского государственного технического университета и ОО «Ахова птушак бацькаýшчыны».

На основе анализа рельефных, гидрологических и гидрогеологических условий исследуемой территории была определена структура физико-математической модели движения водных масс по водотокам, сформулированы основные проблемы этой охраняемой территории и рекомендации по управлению.

Структура и основные элементы ГИС гидрографической сети ландшафтного заказника «Званец». Источник: Волчек А.А., Мешик О.П., Шешко Н.Н., Малашевич В.В. Проблемы водного режима территории ландшафтного заказника «Званец».
Структура и основные элементы ГИС гидрографической сети ландшафтного заказника «Званец». Источник: Волчек А.А., Мешик О.П., Шешко Н.Н., Малашевич В.В. Проблемы водного режима территории ландшафтного заказника «Званец».

Схема мероприятий для оптимизации гидрологического режима территории ландшафтного заказника «Званец». Источник: Current situation on Zvanets mire. Overview of threats and conservation actions. Plans for habitat and water management  Alexander Kozulin, Scientific and Practical Centre for Bioresources, National Academy of Sciences of Belarus.
Схема мероприятий для оптимизации гидрологического режима территории ландшафтного заказника «Званец». Источник: Current situation on Zvanets mire. Overview of threats and conservation actions. Plans for habitat and water management Alexander Kozulin, Scientific and Practical Centre for Bioresources, National Academy of Sciences of Belarus.

В Республике Беларусь существуют карты-схемы перспективных для комплексного освоения торфяных месторождений Республики Беларусь. Эти схемы разработаны в Институте природопользования НАН Беларуси. Можно обратиться к ним для получения информации о расположении торфяников, находящихся в естественном состоянии.

База данных «Торфяники Беларуси» разработана на основе данных инвентаризации торфяников, проведенной НПЦ по биоресурсам и Институтом природопользования НАН Беларуси в рамках выполнения международного проекта ПРООН-ГЭФ «Управление торфяниками на основе ландшафтных подходов с целью получения многосторонних экологических выгод». В базе данных систематизированы и представлены современное состояние (площадь, границы, статус охраны и использования) торфяников Беларуси по следующим категориям: естественные болота, осушенные торфяники (выработанные торфяники, разрабатываемый фонд, земельный фонд). База данных позволяет анализировать распределение торфяников, видов растений и животных, биологических ресурсов и запасов торфа по бассейнам рек, областям и районам и может быть использована для организации устойчивого использования торфяников при разработке планов землепользования, развития сети ООПТ, планов действий по сохранению редких видов.

ОО «Багна» планирует выпуск веб-сервиса с геоданными по важным природным объектам, в который будут включены и болота.

На карте будут не только границы болот, но и особо охраняемых природных территорий, памятников природы, территорий важных для птиц, Рамсарских угодий и т.д.

Внедрение ГИС для целей мониторинга и природоохраны ведется и в рамках управления особо охраняемыми природными территориями (ООПТ). На базе государственного природоохранного учреждения «Национальный парк «Нарочанский» разработана комплексная автоматизированно-справочная система (ЭО КАСС) для получения, регистрации, обработки, анализа и обеспечения заинтересованных различной информацией по основным направлениям функционирования ООПТ, в том числе оперирование данными дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), векторными и растровыми картами, текстово-цифровыми и другими форматами представления информации о природных объектах и явлениях, ландшафтном и биологическом разнообразии. В систему включаются и все остальные ГПУ, управляющие ООПТ – национальные парки «Беловежская пуща», «Браславские озера», «Припятский» и Березинский биосферный заповедник.

Общая структура ЭО КАСС представляет собой систему с распределенным хранением и вычислением на узлах пользователей, центральный сервер системы будет выступать в качестве дополнительного хранилища базовых данных, а также для обеспечения проведения совместных работ на ООПТ с заинтересованными научными и другими организациями и, как публичный портал для предоставления открытой информации по территориям участников системы. Данная структура по мнению разработчиков позволяет значительно повысить отказоустойчивость как всей системы в целом, так и отдельных ее узлов.

Использование дистанционных методов исследования территорий позволяет перенести значительный объем трудоемких исследований в камеральные условия, увеличить скорость производства работ и вместе с тем повысить достоверность и полноту результатов исследовательских работ. В последнее время в одних и тех же регионах аэрофотосъемка многократно проводится в течение долгих лет. Если сравнивать полученные снимки, можно определить характер и масштабы изменений некоторых компонентов природной среды. Аэрофотосъемка помогает зачастую определять степень воздействия человека на природу. Повторные снимки местности могут помочь выявить, например, участки нерационального природопользования, и на основе полученной информации возможно планирование природоохранных мероприятий. Современная аэрофотосъемка является цифровой, когда получаемое изображение имеет набор каналов и привязано – это позволяет ее легко интегрировать в ГИС.

УП «Геоинформационные системы» совместно с филиалом «Институт геологии» Государственного предприятия «НПЦ по геологии» провело работы по подборке таких материалов аэрофотосъемочных работ на территории белорусских национальных парков и Березинского биосферного заповедника, которые охватывают всю их территорию в пределах современных административных границ, после чего материалы были отсканированы в формате TIFF. Далее материалы сшиваются в единый композит с последующей привязкой и интеграцией в ЭО КАСС.

Аэрофотосъемки территории 1954, 1976, 2014, 2016 год. Источник: КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАНО-СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БЕЛАРУСИ (ЭТАП 3,5) Сипач В.А., Новиков А.А., Люштык В.С., Семенов О.А., Куканова О.Н.
Аэрофотосъемки территории 1954, 1976, 2014, 2016 год. Источник: КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАНО-СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БЕЛАРУСИ (ЭТАП 3,5) Сипач В.А., Новиков А.А., Люштык В.С., Семенов О.А., Куканова О.Н.

Все более широкое распространение в природоохранной деятельности получает применение дронов. Дрон – это беспилотный летательный аппарат, управляемый дистанционно или через предустановки GPS. Преимущества использования этой технологии заключаются в ее высокой производительности, предельной точности, многофункциональности, гибкости, скорости и низкой стоимости. Это быстрый, недорогой и комплексный метод получения актуальной информации.

Беспилотные летательные аппараты позволяют получать точные фотографии для инвентаризации торфяников. Источник: Материалы IV Тренинга по повышению потенциала работников, занимающихся защитой охраняемых территорий в Болгарии. Трявна, 30 мая - 3 июня 2016 г. Проект  „За Балкана и хората“.
Беспилотные летательные аппараты позволяют получать точные фотографии для инвентаризации торфяников. Источник: Материалы IV Тренинга по повышению потенциала работников, занимающихся защитой охраняемых территорий в Болгарии. Трявна, 30 мая - 3 июня 2016 г. Проект „За Балкана и хората“.

Возможности применения этой технологии могут быть ограничены метеорологическими и оптическими условиями, качеством камеры, риском потери связи, физическими препятствиями (деревья, линии электропередач, самолеты), законодательными ограничениями на использование дронов и т.п..

В Республике Беларусь действуют следующие правила использования дронов:

• Необходимо быть членом ОО «Белорусская федерация беспилотной авиации». Дрон должен быть зарегистрирован в БФБА, чтобы легально использовать частоты передачи данных. На нем должна быть специальная наклейка от федерации с регистрационным номером.

• Нельзя взлетать в запретных зонах. Посмотреть их можно в Публичной кадастровой карте РБ (справа – в «Таблице содержания» – нажать галочку «Зоны, запрещённые для использования авиамоделей/запретные/опасные»).

• Если место, где вы собираетесь взлетать, не запрещено – можно выполнять полет, но не выше 100 метров от уровня земной поверхности и не далее 300 метров от вас. Обязательно необходимо иметь прямой визуальный контакт с дроном, иначе он превращается из авиамодели в беспилотный летательный аппарат, и тогда его нужно регистрировать соответствующим образом.

• Для проведения любой аэросъемки в Беларуси с помощью авиамодели необходимо отправить запрос в Генеральный штаб Вооруженных Сил РБ не позднее, чем за 5 рабочих дней до начала съемки. А затем предоставить съемку на контрольный просмотр туда же. Публиковать съемку можно только после получения акта контрольного просмотра. Таким образом, чтобы законно снять с помощью дрона какую-то территорию, необходимо контактировать с Генштабом два раза: до и после съемки.

• Штрафы за нарушения правил могут составлять до 100 базовых величин.

Беспилотное летательное устройство, использующееся для аэросъемок. Источник: Зеленый портал.
Беспилотное летательное устройство, использующееся для аэросъемок. Источник: Зеленый портал.

На сегодняшний день ГИС плотно вошли в повседневное использование в самых различных областях деятельности, связанных с использованием пространственно распределенных данных, и служат наиболее эффективным инструментом для принятия решений органами территориального управления.

Развитие опыта использования ГИС для изучения и инвентаризации торфяников будет способствовать их сохранению, восстановлению и устойчивому использованию.

Важным этапом развития геоинформационных технологий в Республике Беларусь на государственном уровне является разработка концепции инфраструктуры пространственных данных, унифицированных подходов и форматов использования данных и единых средств доступа к пространственной информации на основе портальных и серверных технологий. Не менее важным является также развитие межведомственного и межсекторального сотрудничества для обмена данными, совместного анализа проблем и поиска решений с использованием данных в целях устойчивого управления территориями. Важно понимать, что ГИС – лишь инструмент помощи в решении задач охраны природы и устойчивого развития, и без развития сотрудничества и повышения потенциала заинтересованных сторон этот инструмент не может быть использован в полной мере.

Литература

  1. Волчек А.А., Мешик О.П., Шешко Н.Н., Малашевич В.В. Проблемы водного режима территории ландшафтного заказника «Званец». Організація та функціонування природоохоронних територій Полісся.

  2. ГИС технологии на службе у экологов. Институт радиобиологии НАН Беларуси.

  3. ГИС-технологии в науках о Земле [Электронный ресурс] : материалы конкурса ГИС-проектов студентов и аспирантов ВУЗов Республики Беларусь, проведенного в рамках празднования Международного Дня ГИС 2013, Минск, 20 ноябр. 2013 г. / редкол. : Д.М. Курлович (отв. ред.) [и др.] ; Белорусский государственный университет. – Электрон. текстовые дан. – Минск : БГУ, 2013.– 107 с.

  4. КОМПЛЕКСНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАНО-СПРАВОЧНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОСОБО ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ БЕЛАРУСИ (ЭТАП 3,5) Сипач В.А., Новиков А.А., Люштык В.С., Семенов О.А., Куканова О.Н. – Современные технологии в деятельности особо охраняемых природных территорий: геоинформационные системы, дистанционное зондирование земли: сборник научных статей – Минск: 2018. – 128 с.

  5. Краткое введение в ГИС. Часть 10: Пространственный анализ растровых данных: интерполяция.

  6. A high-resolution GIS-based inventory of the west Siberian peat carbon pool Yongwei Sheng, Laurence C. Smith, Glen M. MacDonald, Konstantine V. Kremenetski, Karen E. Frey, Andrei A. Velichko, Mary Lee, David W. Beilman, Peter Dubinin GLOBAL BIOGEOCHEMICAL CYCLES, VOL. 18, GB3004, doi:10.1029/2003GB002190, 2004

  7. Carless, D., Luscombe, D.J., Gatis, N. et al. Mapping landscape-scale peatland degradation using airborne lidar and multispectral data. Landscape Ecol 34, 1329–1345 (2019). https://doi.org/10.1007/s10980-019-00844-5

  8. The peatland map of Europe. F. Tanneberger et al. Article in Mires and Peat · November 2017.


Заглавное фото – medium.com

Перепечатка материалов «Багны» возможна только с письменного разрешения редакции.

Публикация финансируется Шведским агентством по международному развитию и сотрудничеству «Сида». «Сида» необязательно разделяет мнение, выраженное в этом материале.