Возможности модели FORRUS-S

КОМПЛЕКС ПРОГРАММ FORRUS-S

В настоящей работе используется оригинальная имитационная модель прогноза динамики разновозрастных разнопородных насаждений и разработанный на ее основе комплекс программ FORRUS-S (FORest of RUSsia — Stand), который предназначен для имитационного моделирования и анализа динамических процессов, протекающих в лесных массивах. Модель отличается трехмерным пространством моделируемых элементов и реализована в технике эколого-физиологического (объясняющего) имитационного моделирования. В основе работы модели лежит повторяющийся пересчет текущего прироста (по диаметру и высоте) и изреживания насаждений в терминах трехмерной структуры крон. Вычисления проводятся применительно к отдельным элементам леса многовидового разновозрастного древостоя (элемент леса — группа деревьев одного вида, одного онтогенетического состояния). Прирост (увеличение запаса) определяется условиями локального освещения зоны активного прироста крон, с учетом полноты насаждения, взаимодействия видов и доступности ресурсов экотопа (воды и азота). Программно FORRUS-S состоит из отдельных блоков: «Входные данные и параметры модели», «Сервисные программы», «Моделирование» (рис. 1).

Рисунок. 1. Структура прогнозного комплекса FORRUS-S.

Входными данными модели FORRUS-S являются стандартные повыдельные таксационные описания и планы лесных насаждений. Внутренне пространство модели — трехмерно, поэтому на первом шаге модель преобразует исходную двухмерную «картинку» данных (планы лесонасаждений и таксационные описания) в трехмерную (рис. 2). Преобразование исходной информации происходит в несколько этапов:

• 1) на планы лесонасаждений средствами используемой ГИС накладывается равномерная сетка, тем самым сложная конфигурация выделов в плане аппроксимируется набором прямоугольных пространственных элементов (16,7×16,7 м);
• 2) затем плоские пространственные элементы достраиваются по вертикали прямоугольными параллелепипедами — ячейками высотой по 2,5 м: таким образом, элементы моделирования становятся трехмерными;
• 3) каждому элементу присваиваются свойства выдела, которому он принадлежит: породный и возрастной состав, средние высоты и диаметры для каждого элемента леса, запас, полнота, ТУМ и пр.

Блок «Моделирование» состоит из двух моделей: «Естественное развитие» и «Экзогенные воздействия».

Рисунок. 2. Формирование исходной пространственной информации.

Модель естественного развития насаждений имитирует существенные процессы, протекающие в лесных насаждениях: прирост, спонтанное изреживание и естественное возобновление древостоя. Она включает в себя четыре субмодели: «Свет», «Прирост», «Изреживание» и «Естественное возобновление». В ходе моделирования прогнозируются изменение средних таксационных характеристик насаждений (высоты, диаметра, возраста, запаса и др.), изменение породного и возрастного состава.

Известно, что основными лимитирующими факторами развития лесных насаждений являются фотосинтетические активная радиация (ФАР), доступный азот и вода. Поскольку комплекс программ FORRUS-S предназначен для моделирования динамики лесных насаждений зоны хвойно-широколиственных лесов и южной/средней тайги, то в модели ведущим фактором, определяющим развитие насаждений, является фотосинтетическая активная радиация (ФАР). Другие существенные факторы — доступный азот и влажность почвы — учитываются отдельно для каждого элемента моделирования, поскольку каждый из них после трансформации исходных данных обладает свойствами типа условий местопроизрастания (ТУМ) соответствующего выдела.

Каждый шаг работы Модели естественного развития начинается с расчета световых условий произрастания насаждений. Эти расчеты проводит субмодель «Свет», который с учетом полноты и породно-возрастного состава насаждений рассчитывает доступную ФАР для каждой ячейки каждого элемента моделируемого пространства. Значение доступной ФАР определяется положением ячейки в древостое (в модельном представлении — свойствами соседних ячеек). Далее с учетом полученных данных о световых условиях субмодель «Прирост» для каждого элемента моделирования определяет текущий прирост насаждений: прирост в высоту, по диаметру и прочие основные характеристики древостоя. Полученные результаты обрабатываются в субмодели «Изреживание», которая отвечает за моделирование естественного изреживания древостоя. Результаты моделирования опять просчитывает субмодель «Свет», определяя новые световые условия моделируемого пространства. Далее субмодель «Естественное возобновление» вычисляет параметры естественного возобновления, которое должно произойти в насаждении. На этом завершается один шаг работы Модели естественного развития. Шаг работы модели составляет 5 лет. Площадь моделирования может составлять до нескольких десятков тысяч гектаров. После каждого шага моделирования формируется таблица данных по породному и возрастному составу древостоя и его биометрическим показателям для всех выделов моделируемого объекта. Для каждого элемента леса на выделе рассчитываются количество стволов, возраст, средняя высота дерева и средняя высота прикрепления кроны, средний диаметр ствола, площадь проекции и форма кроны, достигнутый бонитет. Кроме того, рассчитываются сведения о запасе и полноте насаждения. Эти данные являются основой для работы модели «Экзогенные воздействия» и сервисных программ.

Модель экзогенных воздействий дополняет комплекс программ FORRUS-S возможностями решения прикладных задач. Она позволяет имитировать изреживание лесных насаждений в результате воздействия экзогенных факторов, включая антропогенные (в том числе лесохозяйственные и лесопользование), техногенные и прочие внешние воздействия. Имитация внешних воздействий может быть подключена на любом шаге моделирования и быть избирательной к элементам моделируемого пространства. С практической точки зрения наибольший интерес представляет моделирование различных режимов лесопользования, лесохозяйственных мероприятий, содействия естественному возобновлению леса и посадки лесных культур. В настоящее время разработаны алгоритмы следующих лесохозяйственных воздействий и лесопользования: рубки главного пользования, рубки ухода (осветление, прочистка, прореживание, проходная, рубки обновления и переформирования), лесовосстановление (создание лесных культур, содействие естественному возобновлению).

Основными документами, положенными в основу разработки алгоритмов моделирования лесохозяйственных мероприятий и лесопользования являются действующие в настоящее время «Наставление по рубкам ухода в равнинных лесах европейской части России» (М., 1994), «Основные положения по рубкам ухода в лесах России» (М., 1993), «Основные положения по рубкам главного пользования в лесах Российской Федерации» (М., 1994). На основе этих материалов разработаны алгоритмы лесохозяйственных мероприятий:

Таким образом, программы блока лесохозяйственных воздействий и лесопользования осуществляют отбор выделов в рубки ухода и рубки главного пользования, формируют информацию о вырубаемых запасах на каждом выделе согласно определенному сценарию ведения лесного хозяйства. Каждый сценарий ведения лесного хозяйства задается в модели отдельно специальной матрицей. Сервисные программы прогнозного комплекса обеспечивают возможность разделения модельной территории на разные функциональные зоны, для каждой из которых можно задавать свой сценарий рекомендации по определению способов и объемов работ по воспроизводству лесов целевого назначения. Это позволяет разрабатывать стратегии приоритетно-целевых систем ведения лесного хозяйства и лесопользования, соответствующие критериям устойчивого управления лесами.

Проверка модели подразумевает проверку ее достоверности или адекватности. Эта проверка заключается в определении степени соответствия модели реальности. Адекватность модели проверяется путем тестирования. Адекватность модели соответствие модели моделируемому объекту или процессу. Понятия достоверности и адекватности являются условными, поскольку мы не можем рассчитывать на полное соответствие модели реальному объекту, иначе это был бы сам объект, а не модель. Поэтому в процессе моделирования следует учитывать адекватность не модели вообще, а именно тех ее свойств, которые являются существенными с точки зрения проводимого исследования. В процессе проверки модели необходимо установить включение в модель всех существенных факторов. Проверка модели также подразумевает определение той степени, в которой она действительно помогает менеджеру при принятии решений. Оценка модели подразумевает проверку ее правильности. Оценка построенной модели осуществляется путем ее тестирования. Тестирование модели включает в себя проведение множества экспериментов. На вход модели могут подаваться выборки различного объема. Для оценки результатов полученных моделей следует использовать знания специалистов предметной области. Если результаты моделирования эксперт считает приемлемыми, ее можно применять для решения реальных задач.

Верификации модели FORRUS-S был проведен ряд вычислительных экспериментов. В первом эксперименте проводилось прогнозирование хода роста смешанных березово-еловых насаждений в течение 70 лет (с 30 до 100 лет) и сравнение с таблицами хода роста смешанных насаждений (Козловский, Павлов, 1967). Средняя ошибка расчета высоты ели составила 3,4%, максимальная 5%. Аналогичные значения ошибки получены и для других параметров древостоя.

Второй эксперимент был проведен на основе натурных данных 1955 г. о насаждениях Приокско-Террасного заповедника (ПТЗ). Верификация модели заключалась в сравнении прогнозируемых значений общего запаса и запаса по основным породам с данными таксации 1968, 1980 и 1999/2000 гг. Анализ результатов показал, что ошибки результатов моделирования не превышают 5% для общего запаса (рис. 3), 10% - запаса сосны, березы, осины, 15% - для ели и дуба.

Рисунок. 3. Моделирование динамики общего запаса и контрольные годы таксации Следующим экспериментом было сравнение прогнозных и натурных данных для средних диаметров и высот по классам возрастов для основных лесообразующих пород насаждений заповедника. Эксперименты базировались на таксационных данных лесоустройств 1955 г. — вариант 1, 1968 г. — вариант 2 и 1980 г — вариант 3. В каждом случае прогнозировали развитие насаждений до 2000 года (45, 30 и 20 лет соответственно). Полученные прогнозные данные сравнивали с данными таксации 1999/2000 года. На рис. 4 приведены результаты прогноза средних значений высот и диаметров сосны.

Рисунок. 4. Распределение средних диаметров (а) и высот (б) по возрастным классам В целом отмечено хорошее соответствие результатов моделирования: отклонения прогнозных данных от натурных для всех возрастных групп, кроме перестойных насаждений, не превысили 10−15%. Аналогичные результаты получены для других древесных пород.