Разработка методов коррекции занятых различными типами землепользования площадей, получаемых на основе картографических продуктов по данным ДЗЗ низкого пространственного разрешения

Регулярная и точная информация о типах землепользования территории и их ежегодных изменениях является ключевой для решения широкого круга задач, включая оценку экологической ситуации, планирование использования, контроль над охраной окружающей среды и мониторинг процессов, связанных с деградацией и восстановлением земель. Среди многочисленных применений таких данных — учёт выбросов и поглощений парниковых газов и формирование отчётности согласно рекомендациям Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Согласно рекомендациям МГЭИК такая отчётность формируется ежегодно для следующих шести основных классов землепользования: лесные земли, возделываемые земли, луга и пастбища, водно-болотные угодья, поселения и прочие земли. Для территории России и всех её регионов ежегодно оценивается площадь земель, занятых каждым классом, а также матрица переходов между классами от года к году. На данный момент для этого используются ежегодные карты типов наземного покрова, полученные в результате многолетних работ Института космических исследований РАН (ИКИ РАН). Однако эти карты созданы на основе спутниковых данных с низким пространственным разрешением (230 м на пиксель), что приводит к наличию шумов и снижению точности в ряде случаев. В результате для некоторых регионов получаемые оценки площадей не достигают требуемого уровня точности и содержат очевидные артефакты.

В связи с этим выполнено исследование, которое включает:

• Получение на основе общедоступных научному сообществу данных более детализированных и точных карты типов землепользования для всех регионов страны в указанных шести классах;
• Оценку масштабов ошибок в определении площадей типов землепользования, получаемых по картам типов наземного покрова ИКИ РАН;
• Получение скорректированных, более точных оценок площадей типов землепользования для каждого региона России, а также схему их перерасчёта на основе исходных карт типов наземного покрова ИКИ РАН.

Для этого были взяты все отвечающие требованиям по охвату и классам доступные на данный момент картографические материалы с пространственным разрешением 10 м на пиксель: ESA WorldCover (далее ESA WC), Image Observation Esri Land Use Land Cover (далее LULC) и Dynamic World (далее DW). Карты ESA WC и LULC были взяты как есть, а данные Dynamic World, поскольку они предоставляются не для ежегодного интервала, а для каждой сцены, были приведены к ежегодным срезам путем расчёта медианного значения за период.

Была проведена работа по оценке сопоставимости этих материалов друг с другом и с картами типов наземного покрова ИКИ РАН. Все материалы были предварительно для каждого региона и каждого года (в зависимости от наличия карт) приведены к одной шести классовой легенде, преобразованы в одну проекцию и размеры. Для 2020–2021 гг. также были составлены карты, где в оценке сходятся все три источника и где сходятся хотя бы источника. Также была составлена эталонная карта для 2020–2021 гг., где сходятся два источника, а в остальных местах расхождений впечатана карта ESA WorldCover, как предположительно наиболее точная согласно ряду публикаций.

    
  
Рисунок 1 — Примеры диаграммы значений площадей анализируемых классов в каждой карте (DW, LULC, ESA WC, комбинированная эталонная, ИКИ РАН) по регионам. Также приведены скорректированные площади из карты ИКИ РАН

Совместный анализ DW, LULC, ESA WC выявил, что в ряде регионов более 15–20 % площади может относиться в разных картах к разным типам землепользования. На рисунках 1 и 2 приведены примеры расхождений в площади анализируемых классов для разных карт. Основными источниками неопределённости является класс лугов и пастбищ, а также класс возделываемых земель. Особенно значимые расхождения выявляются для засушливых территорий и тундр. Также очень по-разному определяется класс поселения. Отметим, что полученные результаты вполне согласуются с количественными оценками других исследователей.

    
  
Рисунок 2 — График изменения площади каждого класса согласно различным картам (DW, LULC, ESA WC, комбинированная эталонная, ИКИ РАН). Также приведены скорректированные площади из карты ИКИ РАН

Было также проведено сопоставление карты ИКИ РАН с эталонной картой. Выявлено, что в ряде регионов до 50% площади класса может относиться к разным типам землепользования. Основными источниками неопределённости является класс лугов и пастбищ, который может переходить либо в лесную площадь, либо в возделываемые земли, либо в водно-болотные угодья. Особенно значимые расхождения также выявляются для болот и северных территорий (тундр). Неопределённость в оценке площадей в некоторых случаях достигает 30–40% от площади класса (в основном из-за тундр), однако в абсолютном большинстве случаев не превышает 10–15%.

Далее была взята полученная эталонная карта за 2021 г., соответствующая ей карта ИКИ РАН и на основе пересчёта площадей для каждого региона получены коэффициенты коррекции площади каждого класса. После применения этих коэффициентов к площадям каждого класса, полученным по картам ИКИ РАН, получаются площади, занятые соответствующим классом в эталонной карте. Таким образом, разработана схема получения площадей классов в каждом регионе на основе карт ИКИ РАН пересчётом с помощью коэффициентов коррекции, полученных из сопоставления с эталонной картой 2021 г., и без необходимости получения эталонной карты на другие годы. Проверка пересчёта площадей классов для 2020 г. и сравнения их с площадями из соответствующей эталонной карты года показала применимость подхода.