ГИС в природоохранных проектах Алтайского заповедника

М.Ю.Пальцын

Алтайский государственный природный заповедник

Горный Алтай, высочайшая горная система Сибири, является почти точным географическим центром евразийского материка, равно удалённым от четырёх океанов. Здесь сходятся границы России, Казахстана, Китая и Монголии.

Расположенный на стыке Центральной Азии и Сибири, Горный Алтай справедливо считается одним из центров биоразнообразия в умеренной зоне. В мире больше не существует столь ограниченных по площади участков с таким разнообразием ландшафтов и, как следствие этого - необычный видовой состав флоры и фауны. Здесь произрастает более 2200 видов высших растений (200 из которых - эндемики), обитает порядка 80 видов млекопитающих и свыше 300 видов птиц. В горах Алтая на сравнительно ограниченной территории могут быть встречены такие типично таёжные виды как бурый медведь и кабарга по соседству с жителями тундровых пространств - северным оленем и белой куропаткой. Рядом в горных степях и полупустынях обитают тушканчики, сурки и крупнейшие в мире бараны - аргали, а на скалистых обрывах живут скалолазы козероги, алтайские улары и легендарный снежный барс. Некоторые виды, такие как аргали, снежный барс, манул, речная выдра, балобан, сапсан и другие, являются редкими и внесены в Красные книги России и Республики Алтай. Эти и многие другие виды животных и растений, а так же их местообитания сохраняются в пределах особо охраняемых природных территорий республики.

Сегодня в Горном Алтае имеются 2 заповедника (Алтайский и Катунский), 3 биологических и один видовой заказники, зона покоя "Укок", более 100 памятников природы. Общая площадь охраняемых природных территорий составляет около 20 тыс. кв. км. или 22% от всей территории Республики Алтай. Алтайский и Катунский заповедники, природный парк "Белуха", Телецкое озеро и плато Укок являются объектами Всемирного природного наследия ЮНЕСКО (проект "Алтай - Золотые горы") (Рис.1). Катунский заповедник в 2000 г. получил статус биосферного резервата ЮНЕСКО.

Развитие геоинформационных систем (ГИС) для охраны природы в Горном Алтае началось и продолжается в заповедниках республики. Первая ГИС лаборатория была основана по инициативе Экоцентра Аргали в Алтайском заповеднике в 1997 г., после получения первого гранта Международной программы ESRI по сохранению природы (ESRI Conservation Program) при содействии американской общественной организации Экологический Центр (Ecology Center, Inc.). Пакет программного обеспечения PC ARC/INFO и ArcView 3.0 наряду с небольшим дигитайзером позволили работникам заповедника приступить к работе по оцифровке бумажных тематических и топографических карт на отдельные участки заповедника. Позже при помощи благотворительного фонда "Алтай - 21 век" мы получили набор цифровых топографических карт исходного масштаба 1:200000 для всего Горного Алтая, созданных ГосГИСЦентром "Роскартография". Эти карты и используются ГИС лабораторией заповедника для большинства проектов.

В настоящее время ГИС-лаборатория экоцентра и заповедника имеет в своем распоряжении разнообразное программное обеспечение (PC ARC/INFO 4.0, ArcView GIS 3.2a, Spatial Analyst и ArcPress), обширные наборы цифровых векторных и растровых данных, аппаратное обеспечение (2 компьютера Pentium IV, сканер, плоттер, дигитайзер, CD-Writer) и обученный персонал (2 человека). Работа ГИС-лаборатории в природоохранных проектах была поддержана такими организациями как Ecology Center,Inc., Weeden Foundation, ESRI, Turner Foundation, WWF. Специалисты лаборатории оказывали помощь в организации ГИС-отдела в Катунском биосферном заповеднике и регулярно участвуют в организации и проведении семинаров по основам ГИС для государственных и общественных природоохранных организаций. Такие семинары были успешно проведены в Ашхабаде, Хабаровске, Южно-Сахалинске, Якутске и Брянске [3].

Основная задача ГИС лаборатории заповедника - внедрение геоинформационной системы как эффективного инструмента анализа пространственных данных, управления и планирования в практику администрации, научного и инспекторского отделов заповедника. Управление, охрана и научная работа в пределах такой обширной и разнообразной территории (около 900000 га) немыслима без постоянного обращения к различной географической информации. Систематизация и обработка такой информации в рамках ГИС во многих случаях способствуют повышению эффективности выполнения многих задач организации. Примером вышесказанному могут служить некоторые работы с применением ГИС, выполненные в Алтайском заповеднике.

Первым и, пожалуй, самым интересным ГИС проектом Алтайского заповедника было создание пространственной базы данных по распространению алтайского горного барана - аргали (Ovis ammon ammon) на хребте Чихачева (граница Горного Алтая, Тувы и Монголии). Алтайский горный баран - аргали (Ovis ammon ammon) является крупнейшим подвидом архара и населяет горные системы Монгольского и Гобийского Алтая и отдельные хребты в Восточном Казахстане, Горном Алтае, Туве и Монголии. Численность аргали в России и других странах заметно сокращается, подвид внесен в Красные книги России и Монголии. Алтайский заповедник на сей день является единственной охраняемой территорией в России, сохраняющей небольшую часть одной из группировок аргали.

Создание такой БД диктовалось расширением программы исследовательских работ по организации мониторинга и оценке современного состояния группировки аргали на хребте Чихачева. С середины 90-х годов исследованиями была охвачена не только территория заповедника, куда входят лишь самые северные места обитания аргали, но и вся область хребта Чихачева в пределах Алтая и Тувы до границ с Монголией. Такой подход позволил исследователям получить достаточно полные представления о самой северной группировке алтайского горного барана в пределах современного ареала. Накопление больших массивов данных по аргали, полученных в экспедициях, требовало систематизации и регулярной обработки информации по этому редкому виду. ГИС стала идеальным инструментов для хранения и обработки этих данных. В качестве электронной топографической основы для БД были использованы многослойные цифровые карты масштаба 1:200000, созданные ГосГИСЦентром "Роскартография". Для полевых работ печатались рабочие карты местности, на которых фиксировались все места встреч групп аргали, их перемещения, различные типы местообитаний. Каждой встрече горных баранов присваивался свой уникальный номер. Одновременно картировались и маршруты экспедиций, места выпаса скота, расположение стоянок скотоводов, малоснежные и бесснежные участки на склонах, места встреч волков и тд. Вся информация затем включалась в пространственную БД в виде отдельных тематических слоев с таблицами атрибутов, где фиксировались все необходимые данные. В настоящее время база данных по аргали содержит информацию за период с 1996 по 2001 гг (Рис. 2).

Для выявления пространственных закономерностей размещения аргали в различные периоды года из векторных данных, содержащих информацию по высоте местности (изолинии, точки абсолютных высот и урезов воды, точки высот перевалов), создавались цифровые модели рельефа (ЦМР) с разрешением 50х50 метров. Для создания ЦМР использовалась методика, разработанная ГИС-специалистом благотворительного фонда "Алтай - 21 век" А.Р. Юмакаевым. При этом электронный слой изолиний рельефа (покрытие ARC/INFO) преобразовывался в слой точек высот, который впоследствии объединялся с точечными слоями абсолютных высот, урезов воды и высот перевалов. Такое объединенное покрытие, содержащее точки со значениями высот местности было использовано для интерполяции ЦМР с помощью модуля ArcView Spatial Analyst. Использование ЦМР позволило анализировать распределение аргали в связи с такими параметрами как высота местности над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона, удаленность от основных дорог, стоянок скотоводов и мест выпаса скота. Так, пространственный анализ данных по зимнему распределению аргали в северной части хребта Чихачева за ряд лет позволил выявить места постоянных зимних концентраций горных баранов и построить пространственные модели распределения оптимальных зимних местообитаний этого вида по всему хребту (Рис. 3). Такой подход особенно полезен для планирования охранных мероприятий и организации маршрутов последующих исследовательских экспедиций. Результаты пространственного анализа используются работниками заповедника для мониторинга состояния группировки аргали на хребте Чихачева и разработки стратегии ее сохранения. Кроме этого, использование ГИС позволило исследователям разработать методику определения обследованной площади местообитаний аргали и расчета численности животных при проведении учетных работ [2].

В начале 1998 г. в связи с преданием гласности официальной информации об использовании территории Алтайского заповедника в качестве района падения для остатков ракетоносителей "Протон" в заповеднике был запущен цикл работ по оценке возможного влияния космических запусков на охраняемые природные сообщества (Рис. 4). Расположение района падения на территории Алтайского заповедника помимо загрязнения металлическими обломками и повышения риска лесных пожаров представляет реальную опасность заражения уникальных природных сообществ сильноядовитыми компонентами ракетного топлива (в основном, гептилом). При приземлении обломков остатки ракетного топлива попадают на поверхность земли, захватываются растительностью и почвой, растворяются в воде. Из природных объектов наиболее уязвимы к попаданию ракетного топлива открытые водоемы: реки, озера, болотные массивы. Здесь возможно возникновение так называемой "тихой катастрофы", связанной с проникновением компонентов топлива в верхние горизонты подземных вод и образованием очагов массированного заражения. Гептил интенсивно поглощается растениями и включается в пищевые цепи, может попадать в организм животных и человека, вызывая тяжелейшие поражения различных систем и оказывая серьезное влияние на репродукцию.

Одна из работ была посвящена сравнительному анализу района падения космических обломков и других участков заповедника по видовому богатству и численности копытных и некоторых хищных млекопитающих. Для сравнительного анализа были использованы данные о распространении и плотности населения 8 видов копытных (кабан, кабарга, марал, косуля, лось, северный олень, сибирский горный козел, аргали) и 3 видов хищных млекопитающих (медведь, соболь, снежный барс). Источниками этих данных послужили как опубликованные так и неопубликованные материалы (Летопись природы Алтайского заповедника, 1970-1996 гг). Для каждого вида на основе электронной топографической карты заповедника в ArcView была составлена картосхема, отражающая общие закономерности его распространения и численности в Алтайском заповеднике на протяжении 25 лет с 1970 по 1996 гг.

Анализ полученных картосхем убедительно показал первостепенное значение территории района падения для сохранения устойчивых популяций копытных и отдельных видов хищных животных в Алтайском заповеднике и на сопредельной территории. В данном районе обитает 7 видов копытных (из 8 видов, известных для Алтайского заповедника), 3 из них (марал, кабарга, лось) с самой высокой численностью по сравнению с другими районами. Здесь располагаются одни из самых больших зимних стойбищ маралов и лосей не только в Алтайском заповеднике, но и в Горном Алтае, куда на зимние пастбища приходят животные из Хакасии и Тувы. В верховьях р.Чульчи, благодаря большой площади распространения лишайниковых тундр, регулярно отмечаются группы северных оленей, очень редких в других районах. В нижней части долин рек Чульчи и Кайры, а также в долине р.Каракем (приток Чульчи) обитают крупные стада сибирских горных козлов. Здесь довольно часто, по сравнению с другими районами, регистрируются следы очень редкого на Алтае снежного барса. По численности медведя район падения уступает только Прителецкой части заповедника. Здесь отмечается одна из самых высоких плотностей населения соболя в заповеднике. По общему количеству видов и по количеству редких видов район падения уступает только Язулинскому лесничеству, где на стыке таежной и высокогорной фауны встречаются все из рассмотренных 11 видов млекопитающих. Однако, численность большинства видов в Язулинском лесничестве заметно ниже, чем в районе падения. Все это делает район падения зоной повышенного риска в случае катастрофы и массированного заражения территории компонентами ракетного топлива и ставит под угрозу здоровье и существование ценнейших эталонных природных систем, являющихся незаменимой частью биосферы. Результаты этой работы были представлены на ежегодной научной конференции "Алтай - Космос - Микрокосм" в Барнауле и направлены в Госкомэкологии Республики Алтай [1].

В 1998 году совместно с ведущим научным сотрудником Алтайского заповедника В.А. Яковлевым был создан электронный вариант кадастра земноводных и пресмыкающихся Республики Алтай. Кадастр содержит все известные сведения о распространении 4 видов амфибий и 7 видов рептилий на территории республики [4]. Карты к кадастру построены в ArcView на основе электронной топографической карты масштаба 1:1000000. Кадастр используется как справочная система для планирования дальнейших исследовательских работ по земноводным и пресмыкающимся на территории Республики Алтай, содержит ценные сведения о местах встреч редких видов (узорчатого полоза, степной гадюки и др.) (Рис. 5).

В 2001 г. по инициативе заместителя директора по охране заповедника С.В. Спицына и при содействии Фонда Тернера начаты работы по формированию пространственной базы данных по Алтайскому заповеднику, содержащей всю необходимую информацию для поддержки работы отдела охраны. Данная БД создается на базе ArcView и запланирована, в первую очередь, как хранилище и аналитическая система обработки значительных и разнообразных данных, используемых для оперативной работы по охране территории заповедника (расположение избушек, браконьерских станов, троп, перевалов, заходов и мест постоянных охот браконьеров, данные о нарушениях заповедного режима, места концентрации промысловых видов и тд). Основные топологические слои на территорию Алтайского заповедника созданы на базе электронных топографических карт масштаба 1:200000 ГосГИСЦентра "Роскартография". Дополнительные слои к общей БД (избушки, тропы, перевалы, кварталы и тд) оцифрованы с бумажных карт заповедника или созданы по известным местоположениям объектов (Рис. 6). Система постоянно обновляется за счет поступления новых сведений от патрульных групп об обнаруженных тропах, перевалах, местах незаконной охоты и тд. Стоит сказать, что с недавнего времени инспекторские и исследовательские группы снабжаются портативными навигаторами GPS, значительно повышающими точность полевого картирования.

Для отдельных объектов (например, браконьерских и заповедных избушек) база данных хранит точные значения широты и долготы для использования в портативных GPS, что облегчает поиск этих объектов в непогоду, лесистой и незнакомой местности, в ночное время. В настоящее время работниками заповедника создаются новые слои для БД по нарушениям заповедного режима за последние годы.

Созданную первую версию БД было решено распространить и среди заинтересованных сотрудников научного отдела, которые смогут наполнить ее информацией по своим научным темам. Особый интерес для целей охраны заповедника представляют многолетние данные о местах обитания редких видов, зимних концентраций копытных животных, путях сезонных перекочевок отдельных видов, глубине снежного покрова, лавиноопасных склонах, гидрографии. В настоящее время географом заповедника И.П. Кислицыным уже создана пространственная база данных по озерам заповедника, содержащая разнообразные характеристики более чем 1000 озер. Им же к слою речной сети добавлены названия многочисленных рек Алтайского заповедника, исследованных и названных за несколько десятилетий работы. Таким образом, результаты его исследований стали доступными и применимыми для работы других сотрудников заповедника. Было бы интересно построить подобные тематические слои и по другим полезным и нужным данным, мертвым грузом хранящимся в пыльных томах "Летописи природы".

В июне этого года в качестве дополнения к пространственной базе данных по Алтайскому заповеднику мы начали создавать электронный каталог топографических карт масштаба 1:100000 на заповедную и сопредельную территорию. Необходимость такой работы возникла после пожара в конторе заповедника в декабре 1999 г., когда огнем были уничтожены практически все картографические материалы для служебного пользования. В 2001 году, благодаря поддержке Фонда Тернера, нам удалось приобрести по экземпляру столь необходимых в полевой работе карт-километровок на территорию заповедника и сопредельных районов. Для обеспечения инспекторских и исследовательских групп необходимыми картографическими материалами было решено отсканировать имеющиеся листы карт масштаба 1:100000. Для каждой отсканированной карты создается проект ArcView, содержащий макет карты для распечатки на плоттере. Для быстрого поиска необходимого листа топокарты строится проект каталога, хранящий полигональный слой имеющихся номенклатурных листов топокарт. Каждый номенклатурный лист-полигон связан через функцию Hotlink с проектом, содержащим данную карту, готовую к распечатке. После завершения создания такого проекта-каталога достаточно будет щелкнуть мышкой на соответствующем листе-полигоне, чтобы открыть нужную карту и отправить ее на печать. Таким образом мы предлагаем решить проблему безопасного и удобного хранения и создания необходимых рабочих карт Алтайского заповедника.

В дальнейшем планируется введение ГИС в повседневную практику администрации, научного отдела и отдела охраны заповедника для повышения эффективности управления и планирования природоохранных мероприятий в заповеднике и за его пределами. Для этого работники ГИС лаборатории разработали программу занятий по обучению сотрудников заповедника основам ArcView и его основных модулей. Большой интерес для дальнейшего развития ГИС представляет и использование данных дистанционного зондирования для слежения за динамикой растительного покрова и лесных пожаров в заповеднике. Данные дистанционного зондирования необходимы и для создания геоботанических карт заповедной и сопредельной территории. Интересны перспективы использования ГИС для поддержки развития экологического и научного туризма в Горном Алтае и систематизации материалов по ценным и зрелищным природным объектам региона (водопадам, горным вершинам, урочищам, озерам и тд). Для верификации космических снимков и эффективного полевого картирования природных объектов мы планируем внедрять широкое использование приборов наземного позиционирования (GPS) и мобильных ГИС (ArcPad) в практику исследовательской и охранной работы. Все это предполагает активное участие Алтайского заповедника в различных природоохранных и научных проектах совместно с другими организациями не только на территории заповедника, но и по всему Горному Алтаю.

1. Пальцын М.Ю. Распространение и численность некоторых видов млекопитающих на территории РП-326 (Алтайский государственный заповедник) // Тезисы 4-й научной конференции "Алтай - Космос - Микрокосм". Барнаул, 1998. Стр. 134-144
2. Пальцын М.Ю., Спицын С.В.. Использование программного обеспечения ESRI для определения численности алтайского горного барана аргали в южной части хребта Чихачева // Тезисы Первой Сибирской Конференции Пользователей ESRI&ERDAS. Новосибирск, 25-26 октября 2001 г. Стр. 8-10.
3. Пальцын М.Ю., Майкл Белц. Экологический Центр способствует развитию ГИС для охраны природы в России. // Arcreview, N^o 1 (20), 2002. Стр. 14.
4. Яковлев В.А. Кадастр земноводных и пресмыкающихся Республики Алтай. // Животный мир Алтае-Саянской горной страны (сборник научных трудов). Горно-Алтайск, 1999. Стр. 175-214.