СПОСОБ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ

Изобретение относится к области экологии, геоинформационного анализа, биоиндикации и природоохранного мониторинга. Способ предусматривает выделение на городской территории модельных участков с координатной привязкой, получение биоиндикационных показателей растительности, оценку антропогенной трансформации и локальной нагрузки, расчет картографического коэффициента экологического состояния КЕС и отображение полученных классов на карте. Коэффициент КЕС рассчитывают по формуле КЕС = 0.45 х В1!_п + 0.25 х 1АТ_п + 0.15 х R п + 0.15 х I _п. । де показатели нормированы в диапазоне от 0 до 1. По значению КЕС выделяюг классы благоприятного, удовлетворительного, напряженного и кризисного состояния растительного покрова. Технический результат заключается в получении наглядной и воспроизводимой карты экологического состояния растительного покрова, пространственном выявлении зон риска и повышении обоснованности природоохранного планирования.

Область техники

Изобретение относится к области экологии, геоинформационного анализа, биоиндикации, дендроиндикации, урбоэкологии и природоохранного мониторинга. Способ предназначен для пространственной оценки и картографического отображения экологического состояния растительного покрова городской территории на основе полевых биоиндикационных данных, морфометрических признаков листьев, интегральной оценки ан тропогенной трансформации и привязки результатов к координатам модельных участков.

Способ может быть использован органами охраны окружающей среды, службами озеленения, муниципальными структурами. научными opi апизациями и санитарно­экологическими лабораториями для выявления юн благоприятного, удовлетворительного, напряженного и кризисного состояния растительности, а также для выбора участков первоочередного восстановления.

Проблема, решаемая изобретением

В условиях городской среды результаты полевых геоботанических и биоиндикационных обследований часто остаются в виде таблиц, описаний и отдельных точечных наблюдений. Такие материалы позволяют оценить состояние отдельных деревьев или участков, но не дают наглядной пространственной картины распределения экологического риска. В результате затрудняется выбор территорий для озеленения, рекультивации, ограничения антропогенной нагрузки и повторного мониторинга.

Особенно актуальна проблема для городов южных и аридных регионов, где растительность одновременно испытывает воздействие высокой температуры. дефицита влаги, транспортных выбросов, пылевой nai рузки. \ плот нения почвы и рекреационно! о воздействия. В таких условиях дистанционное зондирование не bcci да фиксирует ранние локальные признаки угнетения растений, а обычная полевая оценка без картографического модуля не позволяет быстро определить пространс гвенные приоритеты управленческих действий.

Аналоги и прототип

Известен способ RU2424540C2. в котором состояние почвенно-растительного покрова оцениваю) по данным многоспектрального аэрокосмического зондирования с тематической обработкой изображения, выделением класса растительности и определением параметров состояния растительного покрова.

Известен способ RU2632946C2. относящийся к биомониторингу и биоиндикации качества окружающей среды с использованием индекса экотопической приуроченности растений. Данный подход позволяет оценивать экологическое состояние среды по растительным индикаторам, но не формирует специальный картографический слой, основанный на биоиндикационных и морфомегрических показателях конкретных молельных участков.

Известен способ RU239000IC2. предназначенный для биоиндикации пастбищной деградации по растительным сообществам. Решение ориентировано на пастбищные экосистемы и не предназначено для картографирования экологического состояния растительного покрова юродской территории с учетом точечных координат, источников техногенной нагрузки и городских зеленых массивов 

Наиболее близким к заявляемому решению является RU2424540C2, поскольку он предусматривает пространственное отображение состояния почвенно-растительного покрова. Однако прототип основан преимущественно на данных многоспектрального зондирования и не предусматривает прямого перевода результатов морфометрической биоиндикации листьев и полевой оценки растительности в картографический коэффициент экологического состояния городской территории.

Недостатки прототипа

прототип ориентирован на дистанционную оценку параметров растительного покрова и не учитывает тонкие морфометрические признаки листьев, которые могут отражать раннее техногенное угнетение растений:

не предусмотрено объединение биоиндикационного индекса, интегральной оценки антропогенной трансформации и локальных факторов натру зкп в единый нормированный картографический ко >ффипие1п:

отсутствует специальная шкала картографических классов для городских территорий с выделением зон благоприятного, удовлетворительного, напряженного и кризисного состояния;

не описан алгоритм перевода точечных полевых наблюдений в GIS-слой, пригодный для управленческих решений по озеленению и рекультивации;

не предусмотрена верификация карты контрольными точками и последующее формирование паспорта участка с указанием приоритета восстановления.

Отличительные признаки заявляемого способа

Заявляемый способ отличается тем, что для каждого модельного участка городской территории одновременно получают координаты. биоиндикационные показатели растительности, интегральную оценку антропогенной 

трансформации и локальный коэффициент нагрузки, после чего рассчитывают нормированный картографический коэффициент экологического состояния KI С иавтомаiически присваиваю! участку картографический класс.

К существенным отличительным признакам относязся: I) использование молельных участковс координатной привязкой: 2) расчет К1Л по совокупное! и полевых биоиндикационных и геоэкологических показателей; 3) нормирование частных показателей в диапазоне от 0 до I; 4) построение карты с выделением классов экологического состояния; 5) формирование управленческой матрицы приоритета восстановления; 6) возможность повторного мониторинга одних и тех же участков во времени.

Цель изобретения

Целью заявленного способа является повышение точност. наглядности и практической применимости экологического мониторинга городской растительности путем преобразования биоиндикационных и полевых данных в карту экологического состояния растительного покрова с выделением зон риска и участков первоочередного восстановления.

Те х н и ч еск и й резу л ьтат

Технический результат заключается в получении воспроизводимой, координатно привязанной is визуально интерпретируемой карты жо.югического Состояния расти тельного покрова юродской территории, повышении информативное ти биоиндикационных данных, раннем выявлении локальных зон у i несения растений, снижении субъективности полевой оценки и обеспечении выбора природоохранных мероприятий на основе числового картографического коэффициента.

Сущность изобретения

Поставленная цель достигается способом картографирования экологического состояния растительного покрова городской территории, при котором на исследуемой территории формируют сеть модельных участков, каждому участку присваивают координаты, проводят полевое обследование растительности, измеряют биоиндикационные признаки, оцениваю! антропогенную трансформацию и локальную нагрузку, рассчитывают картографический коэффициент экологического состояния КЕС. классифицируют участок по шкале экологического состояния и отображают результаты на карте в виде зон с различным уровнем экологического риска.

В качестве базового расчетного критерия используют коэффициент КЕС. нормированный в диапазоне от 0 до 1.1Три значении КЕС. близком к 0. сое гояние растительною покрова оценивают как благоприятное, при увеличении КЕС к 1 - как ухудшающееся вплоть до кризисного состояния.

Картографический коэффициеш экологического состояния КЕС показывает общее экологическое состояние исследуемого участка на карге. Ел о рассчитывают по формуле:

КЕС = 0,45 х ВП п + 0,25 х 1АТ_п + 0,15 х R_n + 0,15 х L n, где КЕС - общий показатель экологического состояния участка; ВП п - нормированный биоиндикационный индекс. Он показывает, насколько изменены листья или другие признаки растений под влиянием городской среды; 1АТ_п - нормированный индекс антропогенной трансформации. Он отражает, насколько сильно растительный покров изменен из-за деятельности человека; R_n - нормированный показатель состояния растительности. Он учитывает такие признаки, как разреженность кроны, суховершинность, повреждение листьев и уменьшение растительного покрытия; L_n - нормированный показатель локальной антропогенной нагрузки. Он показывает, насколько близко участок расположен к дорогам, промышленным объектам, стройкам, плотной застройке или зонам активного отдыха. Г.е.. КЕС объединяет несколько показателей в одну общую оценку. Сначала оцениваю! состояние листьев, степень ан i poiioi енного изменения территории, внешний вид растительности и близость к источникам тшряшеипя. Затем каждый показатель умножают па свой вес и складывают. Самый большой вес имеет ВП п - 0.45. потому что состояние растений напрямую отражает влияние окружающей среды. Чем выше значение КЕС. тем хуже экологическое состояние участка и тем больше выражена антропогенная нагрузка.! 1ри отсутствии одного из дополнительных показателей допускается расчет упрощенного варианга КЕС по двум основным индексам:

КЕС = (ВП п + 1АТ_п)/2

Упрощенный вариант применяют при экспресс-мониторинге или при отсутствии данных дистанционного анализа. Расширенный вариант применяют при комплексном мониторинге, когда необходимо повысить устойчивость картографической оценки и связать биоиндикационные данные с пространственными источниками антропогенного воздействия.

Осу тест вл ен и е способа

На первом этапе в пределах городской территории выделяю! модельные участки размером, например, от 20 х 20 м до 100 х 100 м в зависимости oi плотное! и застройки, характера зеленых насаждений и масштаба карлы. Для каждою участка фиксирую! координаты центра, границы участка, тип растительности, наличие транспортных, промышленных и рекреационных источников нагрузки.

На втором этапе проводят биоиндикационную оценку. Для древесных пород отбирают типичные листья с сопоставимой высоты и экспозиции 

кроны, исключая механически поврежденные или недоразвитые листья. Рассчитывают ВИ_п по морфометрическим признакам листьев, например по длине и ширине листовой пластинки, длине черешка, расстояниям между основаниями боковых жилок, флуктуирующей асимметрии или другому утвержденному набору биоиндикаторных признаков.

На третьем этапе оценивают интегральный индекс ан тропогенной трансформации 1АТ_п. Для этого учитывают долю нарушенного травяного покрова, степень уплотнения почвы, наличие пыли на листьях, суховершинность, повреждение кроны, механические повреждения растений, захламленность, близость к дорожному полотне и интенсивность рекреационного воздействия.

На четвертом этапе рассчн! ываюз дополни тошные показатели К п и I n. Ноказазель R_n отражает состояние растительною покрова по полевым пли днеганционным признакам, a L. п отражает локальну ю антропогенную нагрузку. Все показа тели приводят к диапазону от 0 до 1. где 0 соответствует минимальной нагрузке, а 1 - максимальному уровню нарушения.

На пятом этапе рассчитывают КЕС и каждому модельному участку присваивают класс экологического состояния. Далее значения КЕС наносят в GIS-среде на карту, проводят интерполяцию между модельными участками, формируют границы зон и получают карту экологического состояния растительного покрова.

На шестом этапе карту верифицируют контрольными точками. Если класс, полученный по карге, не совпадает с результатами повторного полевого обследования, участок направляют на повторную оценку. Итогом является карта, на которой отражены модельные участки, источники антропогенной нагрузки, границы классов состояния и приоритеты восстановления.

Примеры применения способа

Пример I. Fi.iai онрич । ное сосюниие

13 городском парке сформирован модельный участок МУ-1. По результатам морфометрической биоиндикации BII _п 0.18. интегральный индекс антропогенной трансформации IA I п = 0.22. показатель состояния растительности R_n = 0.14. локальный коэффициент нагрузки L_n = 0.10.

КЕС = 0,45 х 0,18 + 0,25 х 0,22 + 0,15 х 0,14 + 0,15 х 0,10 = 0,172

I [слученное значение КЕС = 0.17 соогветсгвхет 1 класс} - благоприя i ное состояние. Участок 

отображают на карте как фоновую зону и включают в программу планового сезонного мониторинга.

Пример 2. Напряженное состояние

На участке вдоль транспортной магистрали получены следующие значения: В11_п = 0.56. 1АТ_п = 0,62, R_n = 0.58. Ln = 0.72. При обследовании отмечены деформация листовых пластинок, снижение плотности кроны, пылевое загрязнение листьев и уплотнение почвы.

КЕС = 0,45 х 0,56 + 0,25 х 0,62 + 0.15 х 0,58 + 0,15 х 0.72 = 0.602

Значение КЕС = 0.60 соответствуез III класс} - напряженное состояние. Участок выделяют на карте как зон} экологического риска, где необходимы профилактическое озеленение, снижение пылевой нагрузки и повторное обследование после проведения мероприятий.

Пример 3. Кризисное состояние

Вблизи промышленного объекта и участка плотной застройки получены значения: ВИ п = 0.84. IAT п = 0.88. R п = 0.79. I n = 0.92. В полевом описании отмечены суховершинность, повреждение листьев, фрагментация зеленых насаждений, угнетение подроста и отсутствие устойчивого травяного покрова.

КЕС = 0,45 х 0,84 + 0,25 х 0,88 + 0,15 х 0,79 + 0,15 х 0,92 = 0,855

Значение КЕС = 0,86 соответствует IV классу - кризисное состояние. Участок отображают на карте как территорию первоочередного восстановления, где необходимо ограничить нагрузку, провести рекультивацию почвы, заменить погибшие растения устойчивыми видами и организовать повторный контроль.

Преимущества заявляемого способа

способ переводи т разрозненные биоиндикационныс показатели в единую картографическую систему:

позволяет выявлять не только общий уровень нарушения, но и пространственное расположение зон экологического риска: 

обеспечивает возможность повторного мониторинга одних и тех же модельных участков: повышает обоснованность решений по озеленению, рекультивации и ограничению нагрузки: может применяться как в полном варианте с GIS-интерполяцией, так и в экспресс-варианте по двум основным индексам.

1. Патент RU2424540C2

2. Патент RU2632946C2

3. Патент RU239000IC2.

4. Патент RU2424540C2