Структурные исследования природных ландшафтов Соловецких островов

В статье рассматриваются природные ландшафты Соловецких островов как сложная система, выделяется их иерархическая структура. Сделан вывод о исследовании природных ландшафтов с помощью дешифрации снимков высокого разрешения, полученных с БПЛА, выявлены закономерности параметров съёмки с БПЛА в зависимости от уровня иерархии. Приведена методика выбора опытных площадей, сбора полевых данных об отдельных объектах территории и проведения съёмки территории с БПЛА.

Ключевые слова: природные ландшафты Соловецких островов, иерархическая структурная модель природных ландшафтов, съёмка местности с БПЛА, методика выбора опытных площадей, сбора полевых данных об отдельных объектах территории и проведения съёмки территории с БПЛА

Природные ландшафты Соловецких островов представляют собой целостный объект, который является сложной системой, состоящей из объектов живой природы, а именно растительности, в рамках исследования.

Объекты такой системы имеют сложную структуру и большое количество разнообразных характеристик. Для исследования столь сложных систем необходима их формализация [1]. Формальное описание объектов системы выполнено с использованием аппарата теории полихроматических множеств и графов [2, с. 17]. Для разработки структурной модели природных ландшафтов Соловецких островов была проведена систематизация объектов, свойств и отношений объектов ландшафтов. В результате исследований была создана иерархическая модель природных ландшафтов (рис. 1). Модель описывает структуру природных ландшафтов на трех уровнях: уровень неделимого объекта A⁰, уровень площадных объектов A¹, и уровень отдельных объектов A². На каждом уровне иерархии объекты также обладают своими свойствами и наследуют свойства объекта высшего уровня.

Рис. 1. Иерархическая модель природных ландшафтов

На первом уровне иерархии выделены характерные для приарктической территории площадные объекты: леса, болота, луга, тундровые пустоши, литораль (приливно-отливная зона). Каждый из объектов на следующем уровне иерархии представляется полихроматическим множеством составляющих его отдельных объектов. Так леса и болота на втором уровне иерархии представлены множеством деревьев, кустарников, кустарничков, мхов и трав, луга — множеством кустарников, кустарничков и трав, тундровая пустошь — множеством кустарников, кустарничков, мхов и камней, литораль — множеством камней, скоплениями водорослей, прибрежного мусора и областями песка.

Для комплексного исследования объектов природных ландшафтов Соловецких островов и их отношений можно использовать информацию, получаемую при анализе изображений территорий, получаемых с БПЛА. В зависимости от параметров съемки различной будет степень детализации объектов территории на снимке, а значит и информация, полученная при анализе изображения. Так для описания объектов первого уровня в иерархической структурной модели природных ландшафтов достаточно менее детальной съёмки, в то время как для объектов второго уровня модели необходимо большая детализация. Также выявлена зависимость и в изменениях параметров и на одном уровне иерархии, в зависимости от свойств, входящих в него объектов.

Проведен анализ методик выбора опытных площадей для описания территорий и факторов, влияющих на выбор типовых объектов на территории. В результате анализа были сделаны выводы о недостаточных требованиях к опытным участкам при задаче распознавания отдельных объектов. Исходя из анализа методик, выявленных закономерностей съёмки и с использованием иерархической структурной модели природных ландшафтов, для исследования объектов была разработана методика выбора опытных площадей, сбора полевых данных об отдельных объектах территории и проведения съёмки территории с БПЛА, которая представляется следующими этапами:

1. Обзор наиболее распространенных видов растительности для данной климатической зоны с учетом характеристик расположения природного ландшафта по литературным источникам.
2. Выделить 1–2 пробные площади каждого элемента первого уровня иерархии природных ландшафтов, по возможности граничащие друг с другом и содержащие наиболее распространенные виды растительности каждого элемента второго уровня иерархии. Места для закладки опытных площадей выбирают по планам лесонасаждений, имеющимся материалам аэрофотосъемки, таксационным описаниям лесоустройства, отчетам биологических экспедиций или на основе наземной или воздушной рекогносцировки (разведки), по возможности вблизи путей транспорта.
3. При сборе полевых данных на опытных площадях выбирают по определенному числу объектов из каждого класса элементов объектов второго уровня иерархии в модели. Каждый объект структурно описывают согласно набору свойств, соответствующих классу объекта в модели. Отдельно прописываются выявленные отношения с другими объектами, в качестве графического описания может быть сделан снимок объекта на местности.

Ход для сбора полевых данных подбирают с расчетом наиболее полного охвата разнообразия растительности на исследуемой территории по основным показателям: породному составу, возрасту, условиям местопроизрастания, типу местности.

4. Съёмка производится с БПЛА пробных площадей в зависимости от принадлежности к типу объекта. Для типов объектов с большой разностью в высотах растительности (леса, болота) высота съёмки увеличивается и может варьироваться от 50 до 150 м; для типов объектов с незначительной разностью в высотах растительности (луга, пустоши) высота съёмки уменьшается до 30–70м, для литорали, из-за особенностей объектов второго уровня иерархии, высота съемки — 30–15 м. Съёмка производится с БПЛА при достаточной освещенности и ветре меньше 3 м/с.

В соответствие с разработанной методикой для исследования природных ландшафтов Соловецких островов была изучена и выделена наиболее распространенная растительность, в соответствии с чем были заложены опытные площадки по две на каждый тип объектов первого уровня иерархии. В результате полевых исследований были выделены опорные точки для геопривязки данных на снимках и описаны по 5–10 объектов из каждого класса объектов второго уровня иерархии согласно требуемым характеристикам. В рамках исследования была проведена съемка с БПЛА с следующими параметрами высоты съёмки для объектов: для лесных территорий, болот, тундровых пустошей — 50м и 100м (рис. 2), для литорали — 15м и 30м (рис 3).

Рис. 2. Съёмка территории с БПЛА с высоты 50м (сверху) и 100м (снизу)

Рис. 3. Съёмка литорали с БПЛА с высоты 15м (слева) и 30м (справа)

Полученные в результате съёмки с БПЛА снимки и полевые данные являются в дальнейшем исходной информацией для интеллектуального анализа изображений природных ландшафтов Соловецких островов.

Литература:

1. Инновационная парадигма устойчивого развития науки. Теория и практика 15–16 декабря 2016 года, г. Санкт- Петербург. − СПб: Изд-во «КультИнформПресс», 2016. − С.55–56
2. Павлов, В. В. Структурное моделирование в CALS-технологиях / В. В. Павлов; [отв. ред. Ю. М. Соломенцев]; Ин-т конструкторско-технологической информатики РАН. — М.: Наука,2006. — 307с.