Павлов И.Н., Гортман С.Ю., Россинин В.В., Марков А.А.
Автоматизированная обработка пространственно-ориентированных данных с таксационных пробных площадей
Сибирский государственный технологический университет
Разработано ГИС-приложение, предназначенное для хранения картографической информации с пробных площадей и автоматизации расчета таксационных показателей, а также моделирования естественного возобновления и роста древостоев.
Computerized Processing the Space-Oriented Forest Inventory (Test Sites) Data
A GIS-application for collecting test site cartographic data and computerized calculating the inventory parameters is developed; it is also useful for simulating the natural regeneration and stand growth rate processes.
Наблюдаемый в последние годы повсеместный переход лесоустроительных предприятий на новые технологии обработки, хранения и передачи информации о состоянии лесного фонда неизбежно приводит к освоению геоинформационных технологий работниками лесного хозяйства.
Важное значение при изучении лесного фонда имеет расчет основных таксационных характеристик, а также выявление и оценка факторов, влияющих на естественное возобновление для разработки мероприятий по ведению лесного хозяйства.
Особый интерес представляет динамика пространственных структур в процессе организации насаждения, т.е. когда древесные растения начинают взаимодействовать не только с окружающей средой, но и друг с другом. Безусловно, что установление математических закономерностей взаимодействия значительно упрощается с применением геоинформационных технологий.
В общем виде формализация и обработка лесо-экологических данных сводится к следующим этапам:
- дескриптивная обработка (наглядное представление основных материалов, статистический портрет, сортировка и табулирование данных);
- поиск закономерностей (собственно анализ данных);
- построение рабочей модели (структурной, логической, имитационной, математической, статистической и пр.), имеющей прогностические свойства и объясняющей существующие закономерности в данных. [1]
При изучении лесовосстановительных сукцессий на старых «шелкопрядниках» Томской области нами наряду с измерением таксационных и лесоводственных показателей проводилось картирование пробных площадей. Определение средних таксационных показателей в пересчете на 1 га с использованием современного программного обеспечения не представляет особого труда. Нас кроме этого интересовали закономерности пространственного размещения деревьев, подлеска, пней, поваленных деревьев, живого напочвенного покрова и их влияние на возобновление. Для решения данной задачи и устранения чрезвычайно трудоемкой работы по взаимному многовариантному пересчету биометрических и пространственных данных нами разработано программное обеспечение, работающее в качестве расширения ArcView GIS 3.2.
В качестве исходных данных используются заранее подготовленные картографические темы, содержащие в себе всю информацию по пробным площадям леса, включающие слои деревьев, подроста, подлеска, живого напочвенного покрова, поваленных деревьев и пней. Содержащаяся в таблицах атрибутивная информация обрабатывается программой-скриптом, написанной на встроенном языке ArcView.
Древостой представляет собой целиком дискретное распределение. Особую ценность имеет не только информация, характеризующая конкретные особи древесных видов, но и характер их размещения. Поэтому, согласно принятым в лесоведении методам, связующим звеном и объектом анализа являются координаты размещения древостоя [2].
В ArcView работа с географическими (распределенными в пространстве) данными происходит на интерактивных картах, называемых видами. Каждый вид предоставляет уникальную географическую таблицу содержания, похожую на обычную легенду, облегчающую понимание отображаемых данных [3]. Вид содержит в себе слои картографической информации, называемые темами. Структура тем для всех видов одинакова и содержит в себе такие слои, как деревья лиственные и хвойные, подрост лиственных деревьев, подрост хвойных деревьев, поваленные деревья, пни, участки пробной площади, координатные оси.
Пример отображения пробной площади на карте вида приведен на рисунке 1.
Рисунок 1- Вид пробной площади в ArcView
Атрибутивная информация по объектам пробной площади хранится в таблицах, связанных с каждой темой вида. Поэтому расчет таксационных характеристик состоит в их обработке, включающей сортировку и упорядочение исходных данных, циклическую обработку таблиц промежуточных вычислений и наглядное представление рассчитанных результирующих таблиц.
В приложении также используется рекурентный алгоритм поиска биогрупп. Биогруппой считается совокупность деревьев, расположенных в радиусе не более N диаметров ствола на высоте 1,3 метра друг относительно друга. Сам алгоритм выделения биогрупп достаточно трудоемок, так как необходимо сравнивать положение каждого отдельного дерева с другими деревьями на пробе. Выделив деревья, входящие в одну биогруппу, необходимо по внешнему контуру провести полигон для того, чтобы рассчитать его площадь. Для решения такой проблемы был применен специфический тип данных ArcView – словари.
Словарь представляет собой неупорядоченное собрание ассоциаций между ключами и значениями. Каждая ассоциация является элементом словаря. Как ключ, так и значения являются произвольными объектами. Ключ уникально идентифицирует значение. То есть, один ключ не может использоваться в ассоциации с более чем одним значением. Словари используются, когда необходим эффективный произвольный доступ к любому числу объектов[4]. В результате на виде создается новая тема, содержащая полигоны биогрупп. Пример работы программы представлен на рисунке 2.
На рисунке 2 слева изображена карта пробы с темами хвойных и лиственных деревьев. В центре рисунка добавлена новая рассчитанная тема, окружности на которой имеют центр в точке положения дерева и радиус, равный 15 диаметрам данного дерева. Фактически по окружностям можно судить о величине деревьев и визуально выделить биогруппы. И в правой части рисунка отображается тема с уже найденными биогруппами.
Рисунок 2 – Выделение биогрупп
Для создания модели оценки влияния насаждений на естественное возобновление формируется таблица коэффициентов влияния деревьев, кустарников, живого напочвенного покрова, пней и поваленных деревьев на отдельные сегменты пробной площади. При этом также используется такой тип данных ГИС – картографическая информация, хранящаяся в цифровой форме. Поскольку каждому дискретному объекту, дереву, пню или подросту, в пространстве соответствует точка с известными координатами, то связь атрибутивной информации с географическими данными как раз и позволяет либо узнать, какой объект находится в данной точке и его характеристики, либо определить точное местоположение нужного объекта на карте.
Для расчета модели конкурентного влияния на основании полученных таблиц использовалась программа множественного регрессионного анализа с процедурой выбора переменных с шагом вперед для управления вводом переменных в модель из пакета прикладных программ «Statistica 6.0».
Использование разработанного приложения позволяет значительно сократить временные затраты на обработку данных, исключая из работы ручной обсчет данных по многочисленным объектам пробных площадей, а также делает удобным хранение информации в цифровом виде.
Список использованных источников
- Емшанов Д.Г. Методы пространственной экологии в изучении лесных экосистем. – К.: Меркьюри Глоуб Юкрейн, 1999.– 220 с.
- Калинин Л.Б., Моисеев В.С. Основы лесного хозяйства, таксация леса и охрана природы.– М.:Агропромиздат, 1985.– 319 с.
- Павлов И.Н., Шевелев С.Л., Кузьмичев С.Л. Геоинформационные технологии в лесном хозяйстве и лесоустройстве: Монография.– Красноярск, 2001.– 152 с.
- Встроенная справочная система ГИС ArcView 3.2
