Построение модели тенденций трансформации лесных экосистем при зарегулировании стока рек на основе космической информации

Изменение гидрологического режима рек для хозяйственных нужд, путем перекрытия их платинами, приводит к трансформации прилегающих к водным артериям экосистемам. В лесной зоне пойменные экосистемы рек занимают небольшие площади. Зарегулирование стока рек плотинами гидроэлектростанций (ГЭС), а иногда и целыми их каскадами, приводит к значительному увеличению площади пойменных экосистем.
При вводе в действие и закрытии ГЭС возникает задача оценить состояния экосистемы: степени ее трансформации и возможности восстановления. В последнее время наблюдается повышенный интерес к проблемам динамики лесных сообществ, особенно к тенденциям восстановления нарушенных в ходе хозяйственной деятельности лесных угодий. Оценка динамики лесных экосистем служит исходной позицией в обосновании проектов природопользования, разработке прогнозов тенденций возможного изменения экосистем.
В данной работе методика анализа динамических тенденций лесных экосистем при зарегулировании стока рек основана на построении моделей многолетней динамики экосистем с использованием серии разновременной ретроспективной космической съемки. Анализ снимков предполагает знание закономерностей пространственно-временной изменчивости элементов и связей. Целевое решение поставленной задачи основывается на построении моделей экосистем разного ранга с использованием космической информации.
Слежение за динамикой экосистем, вовлекаемых в хозяйственный оборот, находится в тесной связи с изучением спонтанных процессов, возникающих при изменении условий среды. При этом отправными являются экосистемы низшего уровня, сбор данных для которых происходит при полевых изысканиях. Среди объектов полевого изучения наиболее типичных экосистем первостепенное значение имеют коренные экосистемы, дающие представление об общей экологической характеристике региона. Изучение центральных экосистем и сравнительный анализ их локальных отклонений, при изменении экологических факторов среды - непременное условие для составления типологической модели фитоэкосистемы.
Составление моделей экосистем более высокого ранга базируется на использовании двух подходов: синтетического и аналитического. Синтез состоит в воссоздании целого на основе региональной классификации его частей, то есть выявления в пространстве однородных совокупностей разнородных единиц. Анализ состоит в разложении региональной системы на ее элементы с целью дальнейшего соединения составляющих элементов систем в целое.
Региональная модель экосистемы более высокого уровня иерархии, построенная на основе космической информации, обладает новыми свойствами, отсутствующие у моделей ее подсистем. Методической основой для построения региональной модели является региональная классификация. Региональная классификация космических данных состоит в выполнении операций агрегирования (классификации по величине мер сходства между исходными группами пикселей, с образованием региональных, смежно однородных по структуре исходных групп, единиц) и декомпозиции (демонстрации, через показатели индексов космической съемки и инварианта внутренней структуры типов пикселей, содержания выявленных региональных единиц), которые рассматриваются как взаимосвязанные и чередующиеся операции.
Выявление иерархии региональных экосистем позволяет определить требуемый уровень организации информации для сравнения разновременных космических снимков с разным пространственным разрешением. При отсутствии спутниковых данных, с требуемым для построения модели пространственным разрешением, можно использовать актуальную фитоэкологическую карту, построенную по структурно-динамическим принципам на основании лесоустроительных данных: планов лесоустройства, таксономических описаний и серией материалов дистанционного зондирования с применением ГИС-технологий.
Анализ трансформации лесных экосистем при зарегулировании стока рек проведен на примере территории водосбора реки Оредеж. В середине прошлого века река Оредеж была включена в систему водных коммуникаций. В верхнем течении река была зарегулирована плотинами малых ГЭС (создан каскад гидроэлектростанций), действие которых отрицательно сказалось на лесных экосистемах водосбора реки. В конце прошлого века все станции на реке Оредеж были упразднены, но зарегулирование стока реки явилось мощным антропогенным воздействием, глубоко нарушившим естественный гидрологический режим, приведшим к формированию вторичных экосистем. Новые возникшие экосистемы находятся в тесной взаимосвязи не только с изменением гидрологического режима (изменением режима влажности), но и с трансформацией почвенного покрова и рельефа, что отражается на растительной составляющей биоты экосистемы. В пределах водосбора реки Оредеж произошла смена состава биоты фитоэкосистем: с ельников кисличных, черничных, зеленомошных на пойменные влажнотравные луга и ивовые и березовые сообщества. Изменились кардинально и ведущие факторы среды. Лесные почвы, оказались погребенными и, поверх их, произошло формирование почв аллювиальных речных долин. Сформировалась морфологическая структура в виде пойменного микрорельефа разного высотного уровня: грив и межгривных понижений.
Для составления типологических моделей экосистем использовались данные полевого материала и показателей индексов (значения отношений спектральных комбинаций NDVI, NDWI, FCI) космической съемки высокого пространственного разрешения КА WorldView-2.
С 2000 года на этой территории начались работы по восстановлению вырубленных лесных экосистем: была проложена сеть дренажных канав. Для оценки динамики пространственных тенденций антропогенных сукцессий лесных экосистем была использована космическая информация за 2019-2021 гг. КА Sentinel – 2А.
Ретроспективный анализ проводился по данным о состоянии экосистем с момента прекращения антропогенного воздействия (по данным съемки КА Landsat-5 1992 г.), то есть по данным на период окончания действия временных искусственных паводков.
Представление трансформированных лесных экосистем в виде элементов антропогенных сукцессий, на основании данных полевого исследования и космической съемки 2019 года дает возможность прогнозировать процесс и время их восстановления.
Верификация модели трансформации лесных экосистем, созданной на основе космической информации, производилась по эмпирическим данным наземного полевого исследования и космической информации за 2021 год съемки КА Sentinel – 2А.
Для оценки природно-антропогенной трансформации лесных экосистем при искусственном зарегулировании стока рек использовались модели экосистем, не подвергшихся антропогенному воздействию.

С помощью информации спутникового зондирования предлагаемая модель анализирует:
 ненарушенные экосистемы;
 изменения экосистем на момент окончания антропогенного воздействия;
 степень восстановления экосистем на настоящий момент времени через сукцессионные ряды и пространственные распределения их элементов.
Применение данной модели по оценке трансформации фитоэкосистем при разной степени антропогенного воздействия планируется для построения комплексных биосферных моделей в образовательной и научной областях, а также при непосредственной эксплуатации природных ресурсов различными отраслями экономики.