Предварительные результаты исследования структуры растительных покровов на территории Ненецкого автономного округа с использованием специализированного программно-аппаратного комплекса

Результаты ряда исследований свидетельствуют о том, что при решении задач дистанционного зондирования поверхности суши отказ от использования простых моделей рассеяния радиоволн в пользу более сложных, учитывающих как когерентную, так и некогерентную составляющую поля, оказывается оправдан в условиях, когда для конкретных территорий известны значения параметров, характеризующих структуру растительности (Pampaloni, Sarabandi, 2004). Зачастую при мониторинге территорий, относящихся к различным географическим подзонам и даже зонам, задействуются унифицированные модели распространения радиоволн с усредненными значениями параметров структуры вегетационного слоя. Во многом это обусловлено недостатком данных о структуре растительности, в особенности в труднодоступных районах (например, в Арктике). Принимаемые допущения о единообразной структуре покровов даже в случае азональной растительности могут приводить к неверной интерпретации информации, получаемой со спутниковых сенсоров.
Целью настоящего исследования является получение данных о структуре растительного покрова пойм на границе тундры и лесотундры и выявление различий характеристик травянистой растительности участков, расположенных по разные стороны этой границы. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: модернизировать имеющийся программно-аппаратный комплекс для исследования структуры растительности и повысить скорость автоматизированного анализа данных, выбрать в соседних зонах участки со схожими наборами доминантных видов растительных сообществ, выполнить в их пределах комплекс полевых работ и произвести оперативную обработку полученных данных.
Инструментальное обеспечение исследования представлено специализированным программно-аппаратным комплексом, предназначенным для фотофиксации фитоэлементов, восстановления трехмерной модели растительного покрова и последующей оценки параметров, характеризующих его структуру. Подробное описание комплекса приведено в работе (Мателенок, Мелентьев, 2016). Выполненная весной 2016 г. модернизация комплекса, затронувшая программную часть, позволила повысить быстродействие выполнения операций обработки графических данных более чем в два раза по сравнению с исходной версией программного обеспечения.
При выборе исследуемых участков в тундровой и лесотундровой зонах учитывалось соответствие требованиям сходства наборов доминантных видов растительных сообществ, климатических условий, а также наличие возможности выполнить программу полевых работ в краткий временной промежуток. В результате были выбраны участки в Ненецком автономном округе, покрытые травяно-моховой растительностью с преобладанием осоки (в основном Carex aquatilis), играющей значительную роль в формировании растительных сообществ на данных широтах. Участок №1 расположен в пойме р. Пятумбой в подзоне южной тундры. Большую часть его площади занимает пушице-осоково-сфагновое болото. Участок №2 расположен на берегу старого русла протоки Городецкий Шар и относится к пойме р. Печоры на широте развития лесотундровых сообществ. Участок занимает нижний пойменный уровень вплоть до уреза воды и покрыт практически исключительно осокой.
Полевые работы на указанных участках проводились 6-7 августа 2016 г. Скорость ветра в указанные даты составляла 3 м/с. В течение 12 часов до проведения работ осадки на исследуемых территориях не выпадали, благодаря чему на положение фитоэлементов не оказывала влияние капельная влага. С целью обеспечения необходимого объема выборок фотофиксация и последующая оценка параметров структуры была выполнена для 12 фрагментов растительного покрова в пределах каждого из участков.
Два фрагмента из каждой выборки были исключены из анализа по причине несоответствия полученных фотоизображений требованиям к контрасту фитоэлементов и фона. Автоматизированный анализ положения фитоэлементов в изучаемых фрагментах показал, что распределение углов наклона фитоэлементов на участке №1 имеет выраженный эректофильный характер (наиболее часто встречаются углы наклона от 70 до 80 град.). В то же время, для участка №2 наблюдается характер распределения, который можно определить как переходный от эректофильного к сфероидному (по сравнению с участком №1 число элементов, занимающих горизонтальное положение, увеличено). Вероятно, это связано с выявленным различием средней длины листовых пластинок на исследуемых участках (для участка №2 она превышает фиксируемую на участке №1 почти в полтора раза), а данный параметр оказывает влияние на кривизну и наклон фитоэлементов. Также было обнаружено, что в четырех фрагментах растительного покрова на участке №1 присутствуют хвощи (Equisetum palustre и др.), жесткие побеги которых способствуют поддержанию вертикального положения листовых пластинок осоки. Зафиксированная разность медианных значений наклона фитоэлементов на участках №1 и №2 превысила 10 град.
Полученные данные позволяют заключить, что даже в случае совпадения доминирующих видов на участках, покрытых травянистой растительностью, в распределении углов наклона фитоэлементов могут проявляться существенные различия, которые нельзя объяснить лишь разницей в условиях проведения работ (в частности, в погодных условиях). В описанном случае в качестве определяющего фактора можно рассматривать как наличие недоминантных видов, таких как Equisetum palustre, так и изменение соотношения между длиной и шириной листовых пластинок осоки. Указанным различиям следует уделять внимание при настройке параметров моделей распространения радиоизлучения, так как, согласно результатам экспериментов, посвященных изучению излучательных и отражательных свойств растительности, кривизна и угол наклона фитоэлементов травянистой растительности оказывают даже большее влияние на поведение системы в радиодиапазоне, чем содержание влаги (Jackson, Schmugge, 1991).
В перспективе выполнение аналогичных исследований для полных экологических рядов азональных и зональных типов растительности даст возможность сформировать наборы значений параметров моделей распространения радиоволн для конкретных районов и определить границы применимости унифицированных моделей рассеяния.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-35-00255).