CC BY
1УДК 502.63
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1513-1517
ПЕРСПЕКТИВЫ СПУТНИКОВОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ СТЕПНЫХ
И ПУСТЫННЫХ ЛАНДШАФТОВ
PROSPECTS OF SATELLITE MONITORING OF STEPPE AND DESERT LANDSCAPES
Шинкаренко С.С., Барталев С. А.
Shinkarenko S.S., Bartalev S.A.
Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Space Research Institute RAS, Moscow, Russia
E-mail: shinkarenko@mail. smislab. ru
Аннотация. В статье представлены результаты картографирования состояния пастбищной растительности в зоне сухих и опустыненных степей, северных пустынь Северного Прикаспия. Исследования состояния изучаемых ландшафтов основываются на использовании данных дистанционного зондирования Земли из космоса и выборочных наземных измерениях проективного покрытия и фитомассы. Мониторинг состояния степных и пустынных ландшафтов с использованием спутниковых данных включает: анализ сезонной и многолетней динамики состояния ландшафтов, выявление процессов опустынивания, картографирование типа, проективного покрытия и фитомассы растительности, идентификацию выгоревших площадей, а также анализ влияния различных природных и антропогенных факторов на ландшафты. Показаны предложенные методы и полученные на их основе результаты спутникового мониторинга указанных процессов.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, Landsat, MODIS, Sentinel-2, опустынивание, юг России, степные пожары.
Abstract. The article presents the results of mapping the condition of pasture vegetation in the zone of dry and desert steppes, northern deserts of the North Caspian. The research on the condition of the studied landscapes is based on the use of remote sensing data from space and selective ground measurements of projective cover and phytomass. Satellite monitoring of the state of steppe and desert landscapes includes: analysis of seasonal and multi-year dynamics of landscape conditions, identification of desertification processes, mapping of vegetation type, projective cover, and phytomass, identification of burnt areas, as well as analysis of the influence of various natural and anthropogenic factors on these processes. The proposed methods and the results of satellite monitoring of these processes based on them are shown.
Key words: remote sensing, Landsat, MODIS, Sentinel-2, desertification, South of Russia, steppe fires.
Введение. Естественные степные и пустынные ландшафты используются преимущественно для пастбищного животноводства. Их состояние достаточно динамично под влиянием различных факторов: изменений гидротермических условий, выпаса скота, техногенных нарушений и природных пожаров. Нерациональное использование степных и пустынных ландшафтов, например, чрезмерные пастбищные нагрузки, приводят к деградации растительного и почвенного покрова [1-3]. Отсутствие выпаса при очень низкой численности диких копытных приводит к накоплению растительной ветоши и, как следствие, регулярным степным пожарам, существенно влияющим на биоту и почвы [4-6], а также спектрально-отражательные характеристики подстилающей поверхности [7], что может приводить к изменениям процессов атмосферной циркуляции на региональном уровне [8]. На легких по гранулометрическому составу почвах в результате воздействия комплекса негативных факторов усиливаются процессы дефляции вплоть до полной утраты растительного покрова [9], что влечет масштабные пыльные бури [10], из-за которых многократно увеличивается площадь открытых песков и дефлированных пастбищ [11]. После сильнейшей засухи 2020 г. подобные явления практически ежегодно отмечаются на юго-востоке европейской России: в Калмыкии [1, 9] и Дагестане [12], Ставропольском крае [13], Астраханской области [14]. По этим причинам требуются методы мониторинга состояния степных и пустынных пастбищных ландшафтов, которые обеспечивали бы возможность не только оценивать последствия воздействия комплекса негативных факторов, но и давали возможность их предотвратить. Бесспорными преимуществами здесь обладают данные дистанционного зондирования Земли из космоса, т.к. позволяют обеспечить единовременный оперативный широкомасштабный мониторинг состояния ландшафтов.
1513
Цель работы заключается в обобщении опыта спутникового мониторинга состояния степных и пастбищных ландшафтов, имеющегося в ИКИ РАН. Направления исследований можно сгруппировать следующим образом: мониторинг сезонной и многолетней динамики состояния ландшафтов, выявление процессов опустынивания, картографирование типа, проективного покрытия и фитомассы растительности, идентификация выгоревших площадей, а также анализ влияния различных природных и антропогенных факторов на эти процессы. Особенно актуальными подобные исследования становятся вследствие необходимости разработки национальной системы мониторинга климатически активных веществ, для чего требуются технологии широкомасштабного картографирования пулов и потоков углерода в степных и пустынных экосистемах.
Материалы и методы. Изучаемый регион расположен в Северном Прикаспии, относится к сухим и опустыненным степям и северным пустыням и полностью или частично включает: Астраханскую, Волгоградскую, Саратовскую области, Республики Дагестан, Калмыкия, Чеченская, Ставропольский край в России, а также Атыраускую, Западно-Казахстанскую и Актюбинскую области Казахстана. Исследования состояния пастбищных степных и пустынных ландшафтов основываются на использовании спутниковых изображений различного пространственного разрешения: УПЯ8, МОБК, Ьап<18а1 5-9, 8епйпе1-2. Также используются наземные опорные данные, получаемые на основе натурных исследований, которые включают геоботанические описания растительности, определение проективного покрытия и фитомассы, в некоторых случаях аэросъемку с использованием беспилотных летательных аппаратов. На основе спутниковой и наземной опорной информации строятся зависимости спектрально-отражательных и структурных характеристик растительности разных типов, фитомассы и сомкнутости. Также используются различные алгоритмы классификации спутниковых изображений, в том числе с использованием методов машинного обучения. Важную роль в этих исследованиях играет сервис доступа и обработки данных дистанционного зондирования Вега-8е1епее [15], функционирующий в рамках ЦКП «ИКИ-Мониторинг» [16].
Результаты и обсуждение. Зональная естественная растительность сухостепных, пустынно-степных и северо-пустынных ландшафтов отличается сезонной динамикой фотосинтезирующей фитомассы с двумя пиками в периоды оптимальных для вегетации условий - май-июнь и сентябрь-октябрь. Под влиянием выпаса, пожаров и гидротермических условий даты и амплитуда каждого из пиков могут существенно меняться. Для пастбищ изучаемых регионов в 2001-2020 гг. установлена значимая положительная корреляция максимальных и средних значений вегетационного индекса КБУ1 за вегетационный период с суммами осадков за гидрологический год на 98 % площади пастбищ, для 44,5% пастбищ - наиболее сильная отрицательная корреляция с температурами воздуха, ещё для 55% - с пастбищными нагрузками. На площади в 20 млн га (24% исследованных пастбищ) отмечен значимый отрицательный тренд среднего значения NDVI за вегетационный сезон. Для 72% пастбищ характерны отрицательные тренды сумм осадков, на 83 % пастбищ выявлен значимый тренд роста нагрузок, также для 59% пастбищ отмечен положительный тренд увеличения максимальной за вегетационный сезон температуры [17].
На уровне жизненных форм и экологических групп пастбищной растительности опустыненных степей и северных пустынь выявлены значимые различия в спектральной яркости в видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, обусловленные структурными и физиологическими различиями. Внутри видов одной жизненной формы значимых различий спектрально-отражательных характеристик не выявлено [18]. Для большинства растительных сообществ характерна значимая корреляционная связь натурно измеренных фитомассы и проективного покрытия с вегетационными индексами, рассчитанными по спутниковым данным, что даёт возможность использовать их для картографирования продуктивности пастбищ. Наиболее сильная значимая корреляционная связь фитомассы ^=0,74, р<0,001) и проективного покрытия ^=0,76, р<0,001) отмечена со значениями NDVI (8епйпе1-2). Из-за облачности и недостаточной частоты спутниковых наблюдений системами с высоким пространственным разрешением зачастую не удается получить данные дистанционного зондирования на даты проведенных полевых измерений. В этом случае могут использоваться композитные изображения с устраненным влиянием облачности, основанные на данных МОБК [19] или 8епйпе1-2 [20]. Также была предпринята попытка использования аэросъемки с БПЛА для более объективного определения степени покрытия пастбищной растительности. Проективное покрытие определялось на основе данных аэрофотосъемки в видимом диапазоне, которая
1514
проводилась в апреле, июле и октябре 2023 г. на севере Дагестана. Установлены значимые зависимости коэффициентов спектральной яркости и вегетационных индексов NDVI, SAVI, PVI, EVI по данным Sentinel-2 в соответствии с проективным покрытием растительности. При этом сила связи в апреле значительно выше по сравнению с летним и осенним периодами, несмотря на меньшую фитомассу исследуемых растительных сообществ в этом месяце.
Значительную актуальность имеют исследования динамики площадей открытых песков и дефлированных территорий, лишенных растительного покрова из-за воздействия комплекса негативных факторов: засух, чрезмерных пастбищных нагрузок и ветров. Подобные исследования ведутся на основе различных спутниковых систем: MODIS [1, 8, 21], Landsat [11], Sentinel-2 [12-14]. Получение разновременных карт пастбищ без растительного покрова дает возможность исследовать изменения их площадей (сезонные и многолетние), выявлять участки с восстанавливающимся или деградирующим растительным покровом, определять возраст очагов подвижных песков или длительность сукцессий на зарастающих песчаных массивах. На конец мая 2023 г. в российской части Северного Прикаспия идентифицировано около 250 тыс. га открытых песков и дефлированных площадей.
Также разработан метод полуавтоматического картографирования соровых понижений и солончаков, основанный на многолетних данных Landsat [23]. Полученная на основе разработанного метода площадь соров и солончаков около 245 тыс. га достаточно точно согласуется с результатами экспертного дешифрирования в 249 тыс. га [24]. Растительность на солончаках либо отсутствует, либо достаточно разрежена и представлена наиболее солеустойчивыми видами, что является следствием их природных особенностей. Поэтому подобные объекты должны анализироваться отдельно при исследованиях площадей пастбищ, лишенных растительности в результате воздействия комплекса негативных факторов [25].
В зональных ландшафтах Северного Прикаспия за 1998-2020 гг. на основе экспертного дешифрирования идентифицировано более 30 тыс. контуров природных пожаров. Большая часть площади пройдена огнем очень крупных пожаров площадью более 25 тыс. га каждый, а самые крупные гари имели площадь более 500 тыс. га. После 2010 г. горимость территории существенно снизилась, что связано в первую очередь с ростом поголовья скота, а во вторую — с ухудшением гидротермических условий. В засушливых условиях погода влияет на пожарный режим не как фактор для распространения огня, а как фактор для накопления достаточного количества горючего материала. Поэтому снижение сумм осадков, рост температур и пастбищных нагрузок способствуют снижению количества и площадей пожаров из-за уменьшения запасов растительной мортмассы [4, 6]. Полученные результаты кроме данных о динамике выгоревших площадей позволяют определить продолжительность пирогенных сукцессий, что даст возможность изучить закономерности изменения состояния ландшафтов после пожаров разных лет с учетом их повторяемости.
Заключение. Разрабатываемые методы спутникового мониторинга и полученные на их основе данные о состоянии степных и пустынных ландшафтов крайне важны для понимания закономерностей их динамики под влиянием природных и антропогенных факторов. Тем не менее ограниченность доступных достоверных однородных опорных наземных данных является ключевой проблемой для расширения как территории исследований, так и повышения точности получаемых результатов.
Работа выполнена в рамках реализации важнейшего инновационного проекта государственного значения «Разработка системы наземного и дистанционного мониторинга пулов углерода и потоков парниковых газов на территории Российской Федерации, обеспечение создания системы учета данных о потоках климатически активных веществ и бюджете углерода в лесах и других наземных экологических системах» (рег. № 123030300031-6). Обработка данных ДЗЗ осуществлялась с использованием ресурсов ЦКП «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2015), развиваемого и поддерживаемого в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8).
Список литературы
1. Титкова Т.Б., Золотокрылин А.Н. Мониторинг подверженных опустыниванию земель Республики Калмыкия // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 130-141. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-130-141
1515
2. Dedova E.B., Goldvarg B.A., Tsagan-Mandzhiev N.L. Land Degradation of the Republic of Kalmykia: Problems and Reclamation Methods // Arid Ecosystems. 2020. Vol. 10. No. 2. P. 140-147. DOI: 10.1134/S2079096120020043
3. Tyutyuma N.V., Bulakhtina G.K., Tyutyuma N.A. Anthropogenic Factors of Desertification of Arid Territories of the Astrakhan Region // Arid Ecosystems. 2023. Vol. 13. No. 1. P. 45-49. DOI 10.1134/S207909612301016X
4. Шинкаренко С.С., Дорошенко В.В., Берденгалиева А.Н. Динамика площади гарей в зональных ландшафтах юго-востока европейской части России // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2022. Т. 86. № 1. С. 122-133. DOI 10.31857/S2587556622010113.
5. ПавлейчикВ.М. Широтно-зональная неоднородность развития травяных пожаров в Заволжско-Уральском регионе //Бюл. Оренбургского науч. центра УрО РАН. 2019. № 2. С. 1-14. DOI: 10.24411/2304-9081-2019-12013.
6. Павлейчик В.М., Сивохип Ж.Т., Падалко Ю.А. Региональные особенности формирования пирологических обстановок в степях Северной Евразии на основе данных FIRMS // ИнтерКарто. ИнтерГИС. 2023. Т. 29. № 1. С. 423-436. DOI 10.35595/2414-9179-2023-1-29-423-436.
7. Шинкаренко С.С. Изменение спектрально-отражательных характеристик зональных ландшафтов Северного Прикаспия при пирогенном воздействии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 192-206. DOI: 10.21046/2070-74012021-18-3-192-206
8. Золотокрылин А.Н., Титкова Т.Б. Тенденция опустынивания Северо-Западного Прикаспия по MODIS-данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2. С. 217-225.
9. Yuferev V.G., Silova V.A, Tkachenko N.A. Remote Monitoring of Desertification in Kalmykia // Arid Ecosystems. 2023. Vol. 13. No. 1. P. 39-44. DOI 10.1134/S2079096123010171.
10. Шинкаренко С.С., Ткаченко Н.А., Барталев С.А., Юферев В.Г., Кулик К.Н. Пыльные бури на юге европейской части России в сентябре-октябре 2020 года // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 5. С. 291-296.
11. Шинкаренко С.С., Барталев С.А. Берденгалиева А.Н., Дорошенко В.В. Спутниковый мониторинг процессов опустынивания на юге европейской России в 2019-2022гг. //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 319-327. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-5-319-327.
12. Биарсланов А.Б., Шинкаренко С.С., Гаджиев И.Р. Картографирование и анализ сезонной динамики площадей опустынивания на севере Дагестана по ежемесячным композитам Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 1. С. 160-175. DOI 10.21046/2070-7401-2023-20-1-160-175.
13. Дорошенко В.В. Динамика площади открытых песков на северо-востоке Ставропольского края в 2022 г // Географический вестник. 2023. № 4(67). С. 127-136. DOI 10.17072/2079-7877-2023-4-127-136.
14. Дорошенко В.В., Мелихова А.В. Оценка проявлений опустынивания в Астраханском Заволжье по данным дистанционного зондирования Земли // Известия НВ АУК. 2023. № 2(70). С. 239-246. DOI 10.32786/2071-9485-2023-02-27.
15. Loupian E., Burtsev M., Proshin A., Kashnitskii A., Balashov I., Bartalev S., Konstantinova A., Kobets D., Radchenko M., Tolpin V., Uvarov I. Usage Experience and Capabilities of the VEGA-Science System // Remote Sensing. 2022. Vol. 14. No. 1. P. 77. DOI: 10.3390/rs14010077
16. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А., Балашов И.В., Барталев С.А., Ефремов В.Ю., Кашницкий А.В., Мазуров А.А., Матвеев А.М., Суднева О.А., Сычугов И.Г., Толпин В.А., Уваров И.А. Центр коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 263-284.
17. Шинкаренко С.С., Барталев С.А. Многолетняя динамика NDVI аридных пастбищных ландшафтов Европейской России и сопредельных территорий //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. T. 19. № 6. C. 108-123. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-6-108-123.
18. Шинкаренко С.С., Барталев С.А. Анализ влияния видового состава, проективного покрытия и фитомассы растительности аридных пастбищных ландшафтов на их спектрально-отражательные свойства по данным наземных измерений //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. T. 20. № 3. C. 176-192. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-3-176-192.
19. МиклашевичТ.С., Барталев С.А., Плотников Д.Е. Интерполяционный алгоритм длинных временных рядов спутниковых наблюдений растительного покрова // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. №6. P. 143-154. DOI: 10.21046/ 2070-74012019-16-6-143-154.
20. Кашницкий А.В., Бурцев М.А., Прошин А.А. Технология создания безоблачных композитных изображений по данным спутников серии Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 76-85. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-5-76-85
1516
21. Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Оценка площади опустынивания на юге европейской части России в 2021 г. //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. №4. С. 291-297. DOI 10.21046/2070-7401-2021-18-4-291-297.
22. Шинкаренко С.С., Барталев С.А. Картографирование соровых понижений и солончаков в Северном Прикаспии на основе многолетних данных Landsat // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 153-165. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-153-165.
23. Берденгалиева А.Н., Дорошенко В.В., Мелихова А.В. Анализ пространственного распределения соровых понижений в Северном Прикаспии // Научно-агрономический журнал. 2023. № 4. С. 41-50. DOI: 10.34736/FNC.2023.123.4.006.41-45.
24. Шинкаренко С.С., Выприцкий А.А., Васильченко А.А., Берденгалиева А.Н. Анализ влияния антропогенных нагрузок на процессы опустынивания в Северном Прикаспии по спутниковым данным // Исследование Земли из космоса. 2023. № 3. С. 44-57. DOI 10.31857/S0205961423030065.
1517
