Лекция № 9.Ландшафтная индикация экологических условий

При ландшафтно-индикационных исследованиях используют внешние черты ландшафтов, доступные визуальному наблюдению, аэро- и космофотографированию, в качестве ориентировочных показателей различных явлений и процессов, непосредственное наблюдение которых затруднено (Викторов, Чикишев, 1990). Ландшафтная индикация определяет, прежде всего, геологические, гидрогеологические, гидрологические, почвенные и климатические условия, а также последствия деятельности человека по внешнему облику ландшафта, его отдельным компонентам. В качестве индикаторов используются ландшафты, урочища, фации, их наиболее физиономичные компоненты (рельеф, растительность, почвы, водоемы и др.), устойчивые сочетания компонентов, антропогенные элементы структуры местности. Одна из важных задач ландшафтоведения - изучение пространственно-динамической структуры ландшафтов с помощью наземных и дистанционных методов. К наземным методам относятся описания и исследования фаций, урочищ, ландшафтов и их компонентов на ландшафтных профилях, ключевых участках с последующим составлением ландшафтных карт, основой для которых являются топографические карты масштаба 1:100 000 и др. Среди дистанционных методов преобладают аэрофотосъемка и космическая съемка поверхности Земли. В качестве основы для ландшафтных карт используются аэрофото- и космофотоснимки, посредством их дешифрирования, последующего описания и уточнения выделенных ландшафтных контуров и структур в полевых условиях наземными методами. Космофото- и аэрофотоснимки фиксируют лишь внешний, доступный фотографированию ярус ландшафта, в первую очередь, распределение форм рельефа и сопряженной с ними растительности. Растительность в этой мозаике часто имеет доминирующее значение. В целом территории по их физиономичности делят на орофизиономичные (ведущий компонент - рельеф, растительный покров разреженный и на снимках малозаметный), фитофизиономичные (наиболее заметна растительность, рельеф выравненный), педофизиономичные (хорошо видны пятна обнаженной почвы, солончаки), аквафизиономичные (хорошо видны водоемы, болота) и антропофизиономичные (легко обнаруживаются пашни, лесополосы, вырубки и т.д.). Чаще ландшафты орофитофизиономичные (легко дешифрируются растительность и расчлененный рельеф). На основе ландшафтных карт, космо- и аэрофотоснимков, выявленных индикационных связей и индикаторов составляются различные ландшафтно-индикационные карты (засоления, гидрогеологических условий, эрозионной сети, пастбищной нагрузки и т.д.). Виды дистанционных фотосъемок и их назначение Аэрофотосъемка производится чаще на высоте до 800-1000 м с перекрытием изображений до 2/3 для получения стереоскопического эффекта при дешифрировании фотоснимков. Различают аэрофотоснимки крупного (1:1000), среднего (1:10000) и мелкого (1:100000) масштабов. Космическую съемку проводят на высоте 10000-100000 км - с межпланетных автоматических станций типа «Зонд», 500-1500 км - с природных и метеорологических спутников; 200-400 км - с пилотируемых космических кораблей, долговременных орбитальных станций, спутников; менее 200 км - с экспериментальных спутников. При этом получают космические снимки крупного (1:100 000), среднего (1:1000000) и мелкого (1:10000000) масштабов. Наиболее распространены среднемасштабные аэроснимки: 1:10000 - 1:25000) и среднемасштабные космические снимки (1:500000 - 1:1000000). При изучении природной среды чаще используются интегральные черно-белые, полученные в широком диапазоне электромагнитного спектра (400-740 нм); зональные черно-белые аэрофото- и космофотоснимки, полученные в красной зоне спектра (600-740 нм) с использованием фильтров; цветные составные изображения, полученные путем синтеза изображений нескольких одинаковых черно-белых многозональных негативов с использованием цветных светофильтров. Сравнительно широко применяются также спектрозональные снимки, полученные в условных цветах в зоне спектра 500-800 нм с использованием пленок, имеющих три разных светочувствительных слоя, дающих голубое, желтое и пурпурное изображения: а также зональные черно-белые снимки, полученные в зонах 500-600 нм (голубая, зеленая и желтая части спектра) и 700-840 нм (красная и инфракрасная части спектра). Цветные снимки с натуральной цветопередачей, получаемые с помощью многослойных светочувствительных пленок, находят ограниченное применение, так как с больших высот полета они не обеспечивают хорошей цветопередачи в связи с влиянием атмосферной дымки. Аэро- и космофотоснимки без потери качества можно увеличивать в 10 раз. Значительной помехой при выполнении космических съемок является наличие облачности. Снимки, на которых облаками покрыто более 20-30% площади, практически нельзя использовать для распознавания структуры ландшафта и его компонентов. Для дешифрирования снимков используются изображения на пленке в виде диапозитивов, которые просматривают с помощью специальных проекторов, а также контактные опечатки на бумаге. Нетрансформированные аэро - и космические снимки используются для монтажа фотосхем, а трансформированные с устранением имеющихся искажений - фотопланов исследуемой территории. Полиграфически воспроизведенный фотоплан с координатной сеткой, а часто с горизонталями рельефа представляет собой фотокарту. С помощью материалов аэрокосмических съемок успешно решаются такие задачи, как составление ландшафтных, экологических, почвенных, геоботанических, геоморфологических и других тематических карт; инвентаризация природных условий, создание банка экологических данных, содержащего наиболее полные сведения о природных условиях; анализ и мониторинг состояния и динамики ландшафтов, экосистем и их компонентов на больших территориях; анализ состояния и динамики среды в результате антропогенных воздействий; прогнозирование состояния и динамики экосистем и их компонентов под влиянием естественных и антропогенных факторов; выявление индикационных связей между наиболее физиономичными и труднонаблюдаемыми компонентами ландшафта, составление ландшафтно-индикационных карт. Дешифрирование аэрокосмических снимков Использование аэро - и космической фотоинформации включает ее дешифрирование (распознавание изучаемых природных образований или их индикаторов по тону, цвету, структуре рисунка фотоизображения, его размерам и сочетаниям с другими рисунками). Эти внешние характеристики присущи только фотофизиономичным компонентам ландшафта, имеющим непосредственное отражение на фотопленке и снимке благодаря различным спектральным яркостям, связанным со спектральными отражательными способностями объектов на поверхности Земли. В связи с этим только незначительное число природных компонентов может быть отдешифрировано по прямым признакам (формы рельефа, растительность, водоемы, поверхностные отложения и др.). С увеличением высоты фотографирования уменьшается роль зонального растительного покрова в формировании рисунка фотоизображения и увеличивается значение мезо- и макроформ рельефа. Для лучшего отображения и дешифрирования тех или иных объектов и применяются различные виды аэрофото - и космосъемок, выполненные в разные сезоны года (весной, летом, осенью, зимой). Например, для ландшафтных исследований в лесной зоне предпочтительно использование фотоснимков, полученных летом в зоне спектра 600-700 нм. Литологические разности коренных и четвертичных отложений лучше отражаются в зоне спектра 520-560 нм, рыхлые четвертичные отложения - в зоне 500-600 нм. Для дешифрирования растительного покрова достоверные результаты получаются при использовании спектрозональных космических снимков, а также черно-белых, выполненных в зоне спектра 660-720 или 600-700 нм. При изучении и картографировании почвенного покрова лучшими признаны фотоснимки, полученные в зонах спектра 460-580 и 600-700 нм, и спектрозональные снимки весеннего и осеннего сроков. Зона спектра 700-890 нм наиболее информативна для дешифрирования гидрографии, увлажненности; 460-580 нм - подводной растительности, солончаков и засоленных почв, 520-560 нм - для определения механического состава почв и т.д. (Востокова, Сущеня и др., 1988). Иными словами, дешифрирование снимков это целенаправленное изучение фотоизображения с целью прямого или косвенного опознания отображенных на них изучаемых объектов, определения их качественных и количественных характеристик. Наибольшее распространение получил ландшафтный метод дешифрирования аэроснимков, основывающийся на изучении по фотоизображению общих закономерностей ландшафта и индикационных связей между отдельными природными элементами. Для дешифрирования характерно сочетание полевых и камеральных работ. Камеральное дешифрирование заключается в определении объектов по их дешифровочным признакам. При полевом дешифрировании опознание объектов производится на местности путем описания и сравнения объекта в натуре с его изображением на снимке. Полевое дешифрирование производят также для создания дешифровочных эталонов на типичные ключевые участки, которые потом используют при камеральном дешифрировании. Они обычно состоят из набора стереограмм различного формата, содержащих изображение заранее подобранных типичных объектов дешифрирования, и отдельного описания (ключа) к пользованию ими. Переходя от общего к частному и выбирая из двух взаимоисключающих описаний одно, дешифровщик находит требуемую стереограмму. В зависимости от технических средств и приемов различают визуальное, измерительное и автоматизированное дешифрирование. До настоящего времени наибольшее распространение имеет визуальное дешифрирование. Для лучшего рассматривания снимков применяют следующие приборы: увеличительные лупы с 2-, 4- и 10-кратным увеличением, зеркальные и призменные стереоскопы, стереоскопы с переменным увеличением, стереопантометр, интерпретоскоп. Наиболее универсальный стереоскопический прибор для дешифрирования космических снимков - интерпретоскоп. Ландшафтно-индикационное дешифрирование. Для эффективного применения ландшафтно-индикационного метода дешифрирования, правильной и достоверной интерпретации снимков необходимо установление фотофизиономичных индикаторов изучаемых объектов на основе знания внутриландшафтных взаимосвязей. Внутриландшафтные связи выявляют на основе анализа сопряженных фактических данных по компонентам ландшафта, его структуре путем изучения литературных, фондовых и картографических источников или по полевым исследованиям на эталонных участках. Затем устанавливают достоверные фотофизиономичные индикаторы изучаемых объектов и прямые дешифровочные признаки выявленных индикаторов. Дешифрирование аэрокосмической информации идет по схеме: фотоизображение - опознаваемый индикатор - индицируемый объект (индикат). Среди индикаторов выделяют частные, представленные отдельными элементами компонентов ландшафтов, и комплексные, образованные устойчивыми сочетаниями частных индикаторов. Среди частных индикаторов различают геоморфологические (формы нано -, микро-, мезо- и макрорельефа; морфоструктуры; особенности рельефа, обусловленные тектоническими процессами), почвенные, геоботанические (растительные сообщества, их комплексы, комбинации, мозаики, экологические и эколого-генетические ряды, сезонные аспекты растительного покрова), ботанические (виды, специфические и аномальные формы роста растений), гидрологические (внешние особенности гидросети), тектонические, геологические, флювиальные (древняя речная сеть), литологические (обнажения почвообразующих пород), антропогенные. Большое индикационное значение имеет анализ рисунков фотоизображений на снимках, образованных различными компонентами ландшафта, особенно растительными сообществами. Фитоценотические рисунки это мозаики, образованные на земной поверхности растительными сообществами. Подобные узоры часто связаны с условиями, скрытыми от непосредственного наблюдения, и несут самостоятельную индикационную информацию (Викторов, 1994). При анализе рисунков учитывают следующие их особенности: 1) состав рисунка; 2) форма контуров; 3) ориентировка контуров; 4) метрические особенности взаиморасположения; 5) пространственные взаиморасположения контуров. Фитоценотический рисунок представляет собой географическое образование, создаваемое комплексом физико-географических факторов. Факторами формирования рисунка выступают геологические условия, климатические особенности, рельеф поверхности, почвенные условия, деятельность животных, человека, воздействие самого растительного покрова. В большинстве случаев ведущий фактор формирования рисунка - геолого-геоморфологические условия. Рисунки, как правило, полигенетичны. Их разные геометрические особенности имеют разный возраст и генезис. В частности, линейное взаиморасположение контуров может быть связано с тектоническими нарушениями, а их округлая форма - с суффозионно-карстовыми процессами. Геометрические особенности рисунка представляют собой очень чуткое и концентрированное отражение генезиса территории. Анализ фитоценотического рисунка имеет большое значение при индикации литологических особенностей, геологических условий, разрывных нарушений, тектонических структур, грунтовых вод, природных процессов. Использование соседства фитоценозов и рисунков дает хорошие результаты при индикации природных процессов, миграционных потоков. Подобные закономерные сочетания и соседства часто соответствуют областям сноса, транзита и аккумуляции. Степень однородности рисунков отражает единообразие условий формирования. Рисунки диффузные, полосчатые, полигональные, извилисто-полосчатые отражают главнейшие факторы формирования ландшафтной структуры, древние процессы формирования рисунка. Рисунки с господством округлых и серповидных форм отражают современные процессы формирования рисунка. Мононаправленные и динаправленные рисунки отражают преобладающую ориентировку ландшафтных контуров. Монодоминантные и бидо-минантные рисунки обусловлены количеством доминирующих составляющих в ландшафте. Фоновые и бесфоновые рисунки связны со стадиями формирования структуры ландшафта. Например, полосчатые рисунки формируются при близком залегании к поверхности слоистых осадочных пород (глин, песчаников, мергелей и т.д.). Особенно широко они распространены на территориях с небольшой мощностью четвертичных отложений. Большое значение приобретает индикационная интерпретация как элементов горизонтальной структуры растительных сообществ (микрогруппировок, микрофитоценозов, слагаемых ими мозаик), так и микрофациальной и фациальной структуры ландшафта. Элементы нано - и микроструктуры ландшафта являются хорошими индикаторами ранних стадий развития различных процессов. Принципы составления ландшафтно-индикационных карт Ландшафтно-индикационные карты составляются на основе ландшафтных карт. На них наиболее полно показываются взаимосвязи между отдельными компонентами ландшафта, соседними ландшафтами. Индикационные ландшафтные взаимосвязи представляют в виде ландшафтно-индикационных таблиц, которые являются основой для построения легенд ландшафтно-индикационных карт. В таких таблицах прослеживается взаимосвязь между отдельными компонентами ландшафта и приводится описание индикаторов (чаще всего это рельеф и растительность), их основных дешифровочных признаков, объектов индикации (индикатов: почва, литология поверхностных отложений, гидрологические условия, характер эрозионной опасности). Ландшафтная индикация динамики природной среды и антропогенных изменений экологических условий С помощью метода ландшафтной индикации могут быть изучены и отражены на картах по аэрофото - и космическим снимкам основные природные экзогенные процессы; в частности: заболачивание, подтопление, засоление, опустынивание (обусловлены деятельностью подземных и поверхностных вод, атмосферных осадков); плоскостная эрозия, линейная эрозия с образованием рытвин и промоин, овражная эрозия с образованием оврагов (деятельность поверхностных вод); карстовые явления и суффозия (деятельность подземных и поверхностных вод), оползневые процессы (деятельность гравитационных сил, подземных вод), ветровая эрозия, эоловые процессы ( деятельность ветра), зарастание и заторфовывание водоемов (биогенная деятельность). Ландшафтно-индикационное дешифрирование аэро- и космической информации также позволяет наиболее объективно и на значительной площади установить и отразить на картах виды, характер, степень и силу антропогенных воздействий, проявляющихся на исследуемой территории. Развитие природно-антропогенных и антропогенных процессов определяется совокупностью факторов, возникших под влиянием деятельности человека и природных экзогенных процессов. В большинстве случаев они отличаются от природных процессов большей интенсивностью, быстротой развития, более разнообразным характером и ограниченной площадью своего проявления. К основным антропогенным процессам, дешифрируемым на снимках, относятся проседание земной поверхности (горные выработки), осушение болот, заболоченных земель (проведение осушительных мероприятий), осушение и переосушение (понижение уровня грунтовых вод при горных разработках); поверхностное переувлажнение (выпас скота), заболачивание почв (сенокошение), переувлажнение (рубка леса, лесные пожары), ветровая эрозия (проведение строительных работ, распашка земель), водная эрозия (уничтожение естественной растительности, распашка склонов), заболачивание, засоление (чрезмерное орошение), опустынивание (уничтожение растительного покрова, перераспределение поверхностного стока) и др. Различают три степени антропогенных воздействий, прямо или косвенно влияющих на природную среду. Слабое однократно или непостоянно действующее воздействие не вызывает перестройки ландшафтной структуры, характерно для территорий с экстенсивным ведением хозяйства. Средние или сильные однократные антропогенные воздействия дают толчок для ускорения природных процессов, что приводит к перестройке структуры ландшафта. Сильное многократное или постоянно действующее антропогенное воздействие приводит к формированию новых, антропогенных ландшафтов. Примером слабого антропогенного воздействия могут служить пастбища при строгом соблюдении норм выпаса, среднего - вырубка леса, распашка земель, сильного - строительство городов, водохранилищ, горнопромышленные комплексы. В Западной Европе выделяют несколько степеней окультуренности ландшафтов: 1. Неокультуренные ландшафты. Антропогенные воздействия отсутствуют (скалистые, болотистые, тундровые области, высокогорья). 2. Слабоокультуренные ландшафты (леса с незначительным уходом, слабым выпасом, развитием низинных и верховых болот). 3. Среднеокультуренные ландшафты (используемые луга, пастбища, вырубки и раскорчевки леса, реже распашка земель). 4. Типичные окультуренные агроландшафты с интенсивно используемыми пастбищами, регулярной вспашкой, применением удобрений, пестицидов. 5. Сильноокультуренные ландшафты с применением глубокой вспашки, почти полным уничтожением естественной растительности. Доля чуждых, ранее отсутствовавших элементов (неофитов) во флоре ландшафтов первой степени составляет 0, второй - менее 5, третьей - 5 -12, четвертой - 13-17, пятой -18-22%. Основными методами выявления и исследования экзогенных природных и антропогенных процессов с помощью аэрокосмической информации являются изучение в полевых условиях и дешифрирование на снимках пространственно-экологических рядов, территориальных комплексов и их индикаторов с последующей экстраполяцией стадий изучаемого процесса во времени на основании смены стадий развития процесса в пространстве, либо на основе дешифрирования и сравнения аэрофото - и космоснимков, полученных при фотосъемке одной территории через значительные промежутки времени. Ландшафтно-индикационный подход к прогнозированию динамики экологических условий. При прогнозировании экологических условий различают пространственный и пространственно-временной географические прогнозы. К первому можно отнести прогноз нахождения того или иного объекта на территории, не обследованной непосредственно, а лишь на основе экстраполяционных построений. Ко второму - прогноз пока еще не существующих изменений экологических условий, но возможных при естественном ходе развития природной среды или осуществлении тех или иных. В соответствии с двумя указанными видами прогнозов динамики природной среды составляют два типа прогнозных карт: 1) карты, отражающие распределение в пространстве какого-либо индикатора природных процессов, на основании чего можно прогнозировать наличие этих процессов, стадии и скорости их развития на всей площади исследования; 2) карты, отражающие возможное состояние природной среды в будущем при тех или иных условиях антропогенного воздействия или естественного развития ландшафтов. В настоящее время наибольшее распространение получили пространственно-временные прогнозы динамики природной среды под воздействием антропогенных факторов. Они начали особенно широко разрабатываться в связи с планированием строительства крупных гидротехнических сооружений, мелиорацией земель, перераспределением стока крупных рек. Составление пространственно-временных прогнозов проводится в несколько этапов, каждый из которых завершается разработкой специальных карт. На первом этапе изучается современное состояние территории и использование ее природных ресурсов на основе аэрокосмической информации, топографических карт, полевых исследований наземными методами с составлением ландшафтной карты и других карт современного состояния природной среды, в том числе современного использования земель. Цель второго этапа - изучение динамики природной среды и ее естественных тенденций на основе анализа разновременных аэро- и космических снимков одной территории, ранее составленных ландшафтной и тематических карт, многолетних наблюдений за динамикой природных процессов на ключевых участках. В итоге этого этапа получают карты динамики природной среды. На третьем этапе изучают проектные материалы, устанавливают возможные или планируемые антропогенные воздействия, составляют карты размещения планируемых мероприятий. На четвертом этапе исследуют особенности устойчивости природных территориальных комплексов к антропогенным воздействиям, возможной реакции комплексов на воздействия с использованием литературных сведений, фондовых материалов по свойствам отдельных компонентов среды, их взаимосвязям, динамике, возможным реакциям; разновременной аэрокосмической информации. Результатом этого этапа является составление оценочных карт устойчивости территориальных комплексов, схем ландшафтных взаимосвязей, предварительных прогнозных карт. На заключительном пятом этапе на основе данных, полученных на предыдущих этапах, разрабатываются карты прогноза динамики природной среды, карта оптимального варианта планируемых воздействий. В большинстве случаев, основой прогнозных карт являются ландшафтно-индикационные карты, на которых объектами индикации являются литология и засоление поверхностных отложений, гидрогеологические условия (глубина залегания и степень минерализации грунтовых вод), почвы, тектонические движения и др. При разработке прогнозных карт большое значение имеет комплексная оценка экологических условий территории, системный подход к их построению, учет региональных особенностей, существующих и планируемых хозяйственных мероприятий, устойчивости территории к фактору воздействия. В легенде карты прогноза динамики природной среды указываются современные состояния ландшафтов, степени их изменения, прогнозируемые состояния основных компонентов, производных природно-территориальных комплексов, появление которых предполагается в результате изменения условий.