Выделение степных массивов в европейской части России по спутниковым снимкам | №42 осень 2014 | Степной Бюллетень 
ISSN 1726-2860
(печатная версия ISSN 1684-8438)

Содержание номера

№42 осень 2014

Режимы сохранения степейСтепи под охранойИнвентаризация степейСтепи под угрозойСтепные пожарыИстория экосистемЗащита уязвимых видовКлючевые видыЗаконодательствоОбъявленияСтепное природопользованиеБорьба с опустыниваниемСобытия Новые книги Финансирование номера

Инвентаризация степей

Выделение степных массивов в европейской части России по спутниковым снимкам

Российский степной проект ПРООН/ГЭФН.В. Рогова (НП «Прозрачный мир», Москва), В.Э. Скворцов (МГУ, Москва)

В рамках проекта ПРООН/ГЭФ/Мин­природы России «Совершенствование систе­мы и механизмов управления ООПТ в степ­ном биоме России» проводится картирование сохранившихся или видоизмененных участков степной растительности. Работой охвачена вся территория распространения степного биома в стране. Мы рассмотрим здесь методические аспекты и некоторые результаты картирова­ния степей юго-востока Европейской России – в пределах Оренбургской, Самарской, Сара­товской, Волгоградской и Астраханской об­ластей, а также Калмыкии и юго-восточной части Ростовской области.

Исходно был выбран следующий алго­ритм действий. Сначала местные специалисты, работавшие в степях и хорошо знающие свой регион (региональные эксперты), предоставля­ют информацию о том, где и какие степные и нарушенные сообщества имеются на знакомых им территориях. Затем, пользуясь этой инфор­мацией, специалисты по дешифрированию кос­моснимков очерчивают предварительные кон­туры сохранившихся степей на основе свободно доступных снимков Landsat. На последнем этапе эти контуры верифицируются в поле с участием тех же экспертов. Схема эта не зара­ботала с самого начала. Для этого было много причин, но укажем две важнейших, которые определили дальнейшую судьбу картографиче­ской части проекта в Европейской России. Это, во-первых, трудности дешифрирования степей с помощью космосъемки, а во-вторых, отсут­ствие четкого понимания того, что есть степь с ботанической, географической и климатиче­ской точек зрения.

Трудности дешифрирования

В самом общем виде, существует три спо­соба дешифрировать растительные сообщества с использованием космосъемки.

(1) Автоматическое (или полуавтоматиче­ское) дешифрирование по отраженному спек­тру; предполагается, что различные типы рас­тительности и вообще разные объекты имеют и различные спектральные характеристики.

(2) Аналогично – по вегетационному ин­дексу NDVI, который тоже основан на ана­лизе спектров, но часто рассматривается от­дельно, потому что специально предназначен для определения фитомассы, которая, в свою очередь, может зависеть от типа растительного сообщества.

Полуавтоматический способ предполага­ет, что программу дешифрирования сначала «обучают» на заведомо известных эталонных объектах, которые она затем сама находит и выделяет на снимке. При автоматическом де­шифрировании, программа по определенному алгоритму сама определяет, на какие классы объектов данный снимок можно разделить.

(3) Ручное, или визуальное, дешифри­рование когда оператор сам сортирует инте­ресующие его объекты, исходя из понимания их свойств и собственного опыта. Например, пашни имеют четкие прямые границы, поэто­му их, по идее, легко отличить от природных территорий, где границы определяются, скорее, свойствами ландшафта и не бывают прямолинейными.

Существует много публикаций о выде­лении участков степей с помощью автомати­ческой классификации изображения. Почему бы не применить этот метод к выделению сте­пей на всей территории Европейской России? Уместно вспомнить фразу «размер имеет зна­чение». Опубликованные работы выполнены на маленьких участках, до сотен гектаров, с использованием только одного снимка, точнее, даже фрагмента снимка, причем авторам зара­нее было известно, где там находятся степи. Та­кие работы обычно проводятся для выявления на известных степных территориях некоторых ландшафтных, эдафических или геоботаниче­ских вариантов. Но на огромной территории Ев­ропейской России (для анализа которой требу­ется больше сотни снимков) много мест, вообще никогда не изучавшихся подробно, а мозаика различных сообществ представлена плавными переходами, зависящими от градиента условий или истории нарушения и восстановления рас­тительности. Ни спектр, ни индекс NDVI не позволяют отличить друг от друга различные травянистые сообщества, из которых одни дей­ствительно могут быть степями, а другие пред­ставляют собой луга, залежи, а то и посевы.

Есть и чисто техническая проблема ра­боты с большим количеством снимков. Для единственного снимка, как прави­ло, можно подобрать такое соче­тание параметров классификации, чтобы уже известные участки сте­пей выделялись по ним автомати­чески. Но эти параметры будут пригодны только для конкретного снимка, для каждого следующего их придется подбирать заново.

Визуальное дешифрование, казалось бы, может решить мно­гие проблемы. Поля, населенные пункты, лес – это крупные объ­екты, которые должны быть хоро­шо видны даже на съемке низкого разрешения. Но как показывают примеры, это не всегда так. Рас­смотрим несколько серий снимков. На одном из снимков в каждой се­рии такие объекты, как распашка, залежи или лес, видны прекрас­но, а на другом об их существо­вании можно даже не догадаться. Снимки сделаны в разное время, но разница между ними – всего несколько недель.

Различное отображение на снимках разного времени полей, залежей и степных участков.

Рис. 1. Различное отображение на снимках разного времени полей, залежей и степных участковНа июньском снимке (рис. 1) видны три группы полей с четки­ми прямоугольными границами, заметно отличающиеся по цвету от окружающих территорий (от­мечены цифрами 1, 2, 3); расти­тельные сообщества, сходные по структуре (более темные участки вдоль водотоков, более светлые на плакорах), на неохраняемых участ­ках степи (4) и в заповеднике (5). Залежей практически не видно.

Рис. 2-3. Различное отображение на снимках разного времени полей, залежей и степных участковНа августовском снимке (так­же рис. 1) структура ландшафта на участке 4 видится такой же, как прежде, а на участке 5 она видна гораздо хуже, чем весной. Светлые участки стали более тем­ными, а темные участки вдоль водотоков – наоборот, более свет­лыми, в целом изображение стало более однородным. Залежи (6) на осеннем снимке выделяются четко, в том числе стала видна за­лежь на территории заповедника. Поля выглядят более размыто и по спектру больше похожи на степные участки (1) или залежи (2).

Отличие степных участков от участков распашки и пере­выпаса. Казалось бы, распашка должна от­личаться от степи очень хорошо, однако два следующих снимка показывают, что и это за­частую не так.

На рис. 2 показан фрагмент снимка, сде­ланного 23 мая 1988 г. Распашка хорошо за­метна в виде контрастных черных контуров, резко выделяющихся на фоне степи. Окрест­ности летних стоянок скота (отмечены стрел­ками) ничем не выделяются.

На снимке, сделанном всего через несколь­ко недель, 1 июля 1988 г. (рис. 3), распашка в центре и справа стала практически незаметна. Зато вокруг стоянок скота очень хорошо виден эффект перевыпаса в виде белых пятен с раз­мытыми границами.

Различия между лесом и степью. В не­которых случаях по снимкам Landsat трудно отличить лиственный лес от степи. Сравним три фрагмента снимков одной и той же терри­тории, сделанных 25 апреля (рис. 4), 30 мая (рис. 5) и 7 июля (рис. 6) 2013 г. Контурами обозначены леса, выделенные по снимкам высокого разрешения (доступным в сервисах Google Earth и Google Maps), на которых вид­ны кроны деревьев.

Рис. 4-6. Различия между лесом и степьюНа первых двух фрагментах лес от сте­пи отличается плохо, и только по третьему их можно хорошо разделить. Это связано с тем, что в начале весны, до начала активной вегетации, кроны деревьев практически про­зрачны, а сухая лесная подстилка по спек­тральным характеристикам мало отличает­ся от сухой степной ветоши. Далее, в конце мая–начале июня вегетация максимальна, при этом яркий спектральный сигнал степной растительности оказывается близким к сигна­лу леса. И только на позднелетних и осенних снимках лес хорошо выделяется на фоне вы­горевшей степи.

Влияние пожарной динамики. Пожары сильно меняют отображение степной расти­тельности, в чем можно убедиться на примере следующего снимка (рис. 7). Резкая смена тона (1) соответствует краю гари 2010 г. по границе Оренбургского заповедника. По спектральным характеристикам сгоревшая территория (свет­лая на снимке) ближе к распаханному участку (3), а не затронутая огнем залежь (2) похожа на степь. Граница (1) не связана ни с каки­ми различиями в растительности (это было проверено в ходе полевых работ в 2012 г.).Разница в отображении на снимке появляется из-за того, что пожар уничтожил ветошь, так что пространство между живыми растениями на гари представляет собой открытую поверх­ность почвы.

Неинтерпретируемые объекты. Иногда на снимках четко выделяются некие объекты, появление которых сложно объяснить и кото­рые никогда не повторяются на других сним­ках (рис. 8).

На осеннем снимке территории Калмыкии хорошо видны темные пятна (1), ярко-зеленые на оригинальном изображении. Они гораздо больше похожи на пойменную растительность междуречья Волги и Ахтубы (2), чем на сте­пи. Это не может быть следствием пожара (для сравнения гарь отмечена стрелкой 3). Скорее всего, мы видим осеннюю вегетацию мятлика луковичного, а почему эти пятна имеют именно такую форму, можно только догадываться. В любом случае было бы неверно выделять такие участки как специфические объекты, поскольку они не повторяются на других снимках. Более того, во время полевых исследований 2013–2014 гг. мы не нашли на местности никаких границ, сколько-нибудь совпадающих с этими.

Рис. 7. Влияние пожарной динамикиВ целом, приведенные примеры убежда­ют в том, что дешифрирование нельзя произ­водить только по одному снимку для каждой местности. Чтоб распознать многие объекты, требуется целая серия снимков, сделанных в разные сезоны.

Неоднозначность объекта картирования

Вторая проблема – это определение того, что необходимо наносить на карту.

Что такое степь? Один ответ: это преоб­ладающая растительность степной зоны. Но тогда, что такое степная зона? Где проводить ее границы? О их положении в биогеографии идут постоянные споры. Куда отнести лесо­степную зону? Какова максимально допусти­мая доля площади лесов, чтобы ландшафт можно было все еще считать степным? К тому же экстразональные местонахождения степей известны и глубоко внутри лесной зоны, а реликтовые степи известны и в зоне тундр.

Рис. 8. Неинтерпретируемые объектыМожно отвлечься от географии и принять, что степь – это тип расти­тельного сообщества. Следуя извест­ному определению Е.М. Лавренко, степи – это сообщества с доминиро­ванием дерновинных злаков и осок, существующие в условиях сухого умеренного климата (без географии все же не обошлось). Но не случайно существуют термины полынная степь, кустарниковая степь, разнотравная степь, луговая степь и т.п. Уже из на­званий понятно, что если там и доми­нируют дерновинные злаки, то не они одни. Проблемы начинаются при по­пытке все это картировать. Чем шире принимается понятие «степь», тем сложнее при дистанционном зондировании от­личать степи от других видов растительности. Одно дело – отделить, например, все ковыль­ные сообщества от любых других травянистых сообществ, и совсем другое дело – отделить всевозможные степи, в которых может доминиро­вать множество разных растений, от других со­обществ, в которых встречаются те же виды, но которые, тем не менее, не степи. Возможность решения практической задачи (картирования) оказывается неотделима от разумного решения теоретических вопросов о природе той или иной растительности. Но такого решения для степей пока нет.

Один из нерешенных вопросов: включать ли в контуры степных массивов залежи, и если да, то какие? Для целей данного проекта было решено, что исключать следует только залежи в бурьянистой стадии, а остальные варианты относить к степям. К сожалению, по космос­нимкам различные стадии восстановления за­лежей с трудом отличимы как друг от друга, так и от степей. Да и в поле возраст залежи или стадию ее зарастания далеко не всегда удается определить безошибочно. Поэтому по­добные «решения» собственно решениями не являются, оставляя выбор на личное усмотре­ние каждого участника проекта.

Еще одна неясность коренится в том, что нетронутой природы в мире почти не осталось. Степи, с которыми мы сталкиваемся в Евро­пейской России, сильно отличаются от «есте­ственных» или «идеальных». Основными фак­торами деградации степей являются распашка, перевыпас и пожары; воздействие каждого из них приводит к перераспределению обилия видов и к общему падению уровня видового разнообразия. Для нашей задачи это имеет два следствия. Во-первых, чем сильнее степь трансформирована, тем сложнее отличить ее по космоснимкам от других видов раститель­ности. Во-вторых, начиная с какого-то момен­та сообщество настолько теряет черты своего естественного прошлого, что уже непонятно, было ли оно в недавнем прошлом степью, и что именно будет восстанавливаться на том или ином месте в случае снятия нарушающего фактора. Можно исходить из того, что в степ­ной зоне на месте распашки или перевыпаса должна восстанавливаться степь, а в лесной – лес. Но это опять возвращает нас к вопросам, где граница между зонами и что делать с пе­реходными полосами.

Метод выделения степей, основанный на анализе истории использования

Все эти сложности означают, что необ­ходим прагматический подход, который по­зволил бы вести картирование на внутренне непротиворечивой основе и хорошо понимать самим, какие объекты мы наносим на карту и какова разрешающая способность применя­емого метода. Мы не можем дать удовлетво­рительного определения, что такое степь, и не знаем, как в точности отличить степи от по­хожих на них иных естественных сообществ и от сообществ, нарушенных до неузнаваемости. В таком случае, лучшим выходом остается сна­чала удалить с карты все, что точно степью не является (например, любые леса, поймы и ан­тропогенную инфраструктуру), а затем посмо­треть на историю оставшихся участков. То, что сейчас из космоса выглядит похожим на степь, десять лет назад, возможно, было пашней, и тогда нет смысла говорить о таком участке как о собственно степном. Другое дело, если такой участок не распахивался даже в 1970-е гг.: в этом случае вероятно, что перед нами дей­ствительно степь, не проходившая через рас­пашку в течение, как минимум, нескольких десятилетий.

Выбранный метод называется историче­ским анализом по космосъемке. Помимо того, что такой подход дает возможность отличить травяные сообщества, нарушенные в прошлом, от ненарушенных, он имеет еще то преимуще­ство, что годится для всей территории и не зависит от качества конкретного снимка. Сним­ки Landsat существуют с середины 1970-х гг., каждый год для каждой территории снима­ется много сцен, так что можно подобрать се­рию снимков, на которых все объекты будут хорошо различаться. Кроме того, к анализу можно подключить и снимки с американских разведывательных спутников 1960-х гг., многие из которых сейчас общедоступны.

Исторический анализ позволяет нам из­бежать трудностей, которые порождаются не­точной или неподходящей для нашей задачи терминологией типа «залежей в бурьянистой стадии». Пользуясь этим методом, мы можем узнать реальный, а не оценочный возраст за­лежей и природных сообществ.

Схема работы

Рис. 9. Векторный слой вероятных («потенциаль¬ных») степных территорий1. В пределах зоны распространения степей по снимкам Landsat–5 и 8 за 2009–2013 гг. был создан векторный слой вероятных («потенциаль­ных») степных территорий (рис. 9), которые от­вечают следующим начальным требованиям:

а) это сухие травянистые сообщества, не включающие в себя крупных лесных массивов, речных долин, водоемов, незаросших песков;

б) они не подвержены выраженному ан­тропогенному воздействию в настоящее время, в них нет населенных пунктов, про­мышленных предприятий, карьеров и отвалов, полей и молодых залежей, участков интенсивного выпаса.

Очевидно, далеко не все выделен­ные участки в действительности ока­жутся степями, но можно быть уверенными, что вне этого слоя степей заведомо нет.

2. Затем были подобраны серии снимков Landsat–7 за 1999–2003 гг., Landsat–4, 5 за 1985–1989 гг. и Landsat–1, 2, 3 за 1974–1977 гг.

3. В пределах исходного слоя ве­роятных степных территорий последо­вательно выделялись участки, кото­рые в разное время в прошлом были преобразованы человеком – в основ­ном, распаханы или выбиты скотом.

В итоге получились векторные слои, отража­ющие историю землепользования во всей об­ласти картирования (рис. 10).

Очевидно, что слой 1 с наибольшей веро­ятностью содержит степные сообщества, а для слоев 2–4 эта вероятность последовательно уменьшается.

Рис. 10. Векторные слои, отража¬ющие историю землепользования во всей об¬ласти картирования

Основные результаты

Подробное изложение итогов нашей рабо­ты не является задачей этой статьи. Назовем лишь несколько основных результатов.

Во-первых, создана карта степей, не под­вергавшихся интенсивному антропогенному воздействию за последние 40 лет. К сожале­нию, общая площадь их в Европейской России исчезающе мала.

Во-вторых, появилась возможность ран­жировать территорию степных регионов по уровню, характеру и масштабу нарушенности нелесных сообществ и их потенциальной спо­собности вновь превратиться в степные сооб­щества. На территории, которую мы анализи­ровали, можно выделить три основные зоны, каждая из которых требует особого подхода к выделению степей по космоснимкам и их кар­тированию.

Рис. 11-12. Степные массивыСамые крупные степные массивы, площа­дью в тысячи и десятки тысяч гектаров, со­хранились на нашей территории только в вос­точной части Оренбургской области (рис. 11). Конечно, эти массивы неоднородны, внутрь контуров могут попадать фрагменты лесной растительности и умеренно сбитые участки. Но в целом это единственный регион, где степные ландшафты сохранились в виде столь обшир­ных территорий, что допустимо говорить о на­личии относительно ненарушенной зоны степей.

2. Центральная часть территории картиро­вания – Волгоградская, Саратовская, Самар­ская области и запад Оренбургской. Этот регион почти целиком распахан. Ландшафты пред­ставляют собой мозаику используемых полей и залежей различного возраста. Степи здесь сохранились лишь в виде небольших фрагмен­тов по балкам, меловым обнажениям и другим местам, непригодным для распашки (рис. 12).Крупные участки степей, вероятно, приуроче­ны к военным полигонам, где не ведется сель­ское хозяйство, однако мы не обследовали та­кие территории.

При современном уровне фрагментирован­ности любые, даже незначительные по площа­ди, участки растительности, похожей на степ­ную, являются здесь ценными рефугиумами биоразнообразия. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют крупные балочные системы и склоны речных долин. Они, разуме­ется, неодинаковы по состоянию и ценности, что зависит от окружения и хозяйственного ис­пользования. Если такие территории не под­вержены чрезмерно интенсивному выпасу, то в них могут сохраняться настоящие степи с вы­соким биоразнообразием.

Небольшие балки площадью до 1–2 тыс. га, как правило, разбросаны среди больших мас­сивов полей. Состояние таких участков непред­сказуемо. На некоторых из них могут произ­растать отдельные степные виды, в том числе ковыли, но их нельзя считать в полной мере степными. Такие сообщества обычно флористи­чески бедны и не имеют естественной структу­ры. Другие же балки исключительно богаты видами и имеют хорошо развитую структуру травянистой растительности. Выявление таких объектов трудоемко и связано с боль­шими затратами на полевые работы, но к этому надо стре­миться, поскольку природо­охранная ценность их может быть очень велика.

Если территории ин­тенсивно используются как пастбища, то, в зависимости от нагрузки, характер расти­тельности может варьировать от обедненного степного до более напоминающего антро­погенную пустыню. Как пра­вило, они бедны по флоре, а структура травянистого по­крова сильно нарушена.

Небольшие участки степной растительности ино­гда сохраняются в массивах залежей разного возраста. Характерная особенность 10–20-летних залежей – это наличие крупных (десятки квадратных метров) пятен, образованных единичными, наиболее агрессивными ви­дами растений. В числе тако­вых встречаются и некоторые ковыли. Однако структура растительности таких масси­вов далека от естественной, а флористическое разнообра­зие их низкое. В массивах залежей огромные площади могу быть заняты чистыми ковыльниками высокой плот­ности, но они, как правило, исключительно бедны по флоре. Только старые залежи (воз­растом 30 лет и более), расположенные неда­леко от сохранившихся участков степей, выгля­дят в достаточной степени восстановившимися, и их можно присоединять к собственно степям в качестве буферных зон.

Рис. 13. Выделение степей в восточной части Калмыкии и Астраханской областиНаконец, особо выделяются восточная часть Калмыкии и Астраханская область. Для этого региона характерны обширные нераспа­ханные территории (рис. 13), однако он исклю­чительно сложен в плане ботанической гео­графии и истории землепользования, поэтому выделение степной (или похожей на нее) расти­тельности требует здесь особого подхода. Ос­новной фактор нарушения в этих ландшафтах – не распашка, а длительный (вековой) пере­выпас. Степень пастбищной нагрузки можно оценить по плотности размещения кошар. За­лежи здесь немногочисленны и тоже регулярно используются под пастбища, поэтому их рас­тительность почти не отличается от представ­ленной на непаханых пастбищах.

Ландшафты восточной части Калмыкии и Астраханской области устроены очень просто и закономерно. Характерны концентрические структуры вокруг кошар: у самой кошары – лишенные растительности пески, дальше пре­обладают полынные сообщества, затем мятли­ковые (из мятлика живородящего); последние и являются самыми массовыми. Все это не степные сообщества. Только наиболее удален­ные от кошар участки занимают сообщества многолетних злаков, часто с участием ковыля, с крайне бедным набором разнотравья. Они встречаются локально и занимают небольшую площадь.

Активное опустынивание происходит сей­час на границе Астраханской области и Кал­мыкии, где массово появляются новые очаги развевания песков. Это чисто антропогенный процесс, обусловленый перевыпасом овец. В южной части Калмыкии, наоборот, продолжа­ется начавшееся после снятия пастбищной на­грузки быстрое зарастание песков и частичное восстановление пустынно-степных сообществ. В 1970–1980-х гг. эта территория подвергалась сильнейшему перевыпасу с образованием под­вижных песков.

Своеобразной частью Калмыкии явля­ется Ергенинская возвышенность, по которой проходит граница с Ростовской областью. По площади и характеру распределения степ­ных участков она больше напоминает Сара­товскую и Волгоградскую области. Но, как и всюду в Калмыкии, степные сообщества здесь, как правило, бедны видами. На наш взгляд, это говорит о длительном истощении видово­го пула на всей этой территории под воздей­ствием перевыпаса. Набор основных степных доминантов в Ергенях и в более засушливых «пустынных» районах Калмыкии почти одина­ков, различаются лишь их соотношение, струк­тура сообществ и общее видовое разнообразие, создаваемое видами, не играющими структур­ной роли в сообществах. В отдельных местах возвышенности, которые мы склонны считать рефугиумами степной флоры, сохранились дей­ствительно богатые степи со структурой, близ­кой к естественной.

В ходе нашей работы возникло много во­просов, решение которых помогло бы лучше понять природу степной растительности и ха­рактер ее распределения в Европейской Рос­сии. Например, как много из нанесенных нами на карту участков еще не описано с ботаниче­ской стороны? Какова относительная скорость зарастания брошенных земель в степной зоне степью и лесом (сейчас активно идут оба процесса), и не являет­ся ли появление на этих землях степей лишь краткой стадией пе­ред наступлением леса? Какую роль играют лесные пожары в распространении степной рас­тительности? Все эти вопросы ждут неравнодушных исследова­телей, готовых потратить время и силы на изучение последних фрагментов естественной расти­тельности степей.

Контакт:
Наталья Рогова
Некоммерческое партнерство «Прозрачный мир»
РОССИЯ 119021 Москва, ул. Россолимо, 5/22, стр. 1
E-mail: nrogova@gmail.com






Наверх
227 просмотров



Сибирский экологический центр
Центр охраны дикой природы
Проект ПРООН/ГЭФ по степным ООПТ России
Казахстанская ассоциация сохранения биоразнообразия
Об издании

Популярное
ПРООН ГЭФ Минприроды России