Метод картографирования сезонной динамики площадей открытых песков и дефлированных территорий на основе спутниковых данных высокого пространственного разрешения и машинного обучения

Классификация спутниковых данных на основе различных алгоритмов требует создания опорной выборки на каждую дату съёмки, что является достаточно трудоёмкой задачей. В этой связи актуальным является решение проблемы создания опорной выборки, которая могла бы применяться при картографировании открытых песков и дефлированных территорий в течение всего вегетационного периода. Наличие композитных спутниковых изображений высокого пространственного разрешения (10–30 м), прошедших процедуру радиометрической нормализации и получаемых ежемесячно и ежеквартально по данным Sentinel-2 открывает возможность разработки универсального метода построения обучающей выборки на значительные по площади территории с последующим созданием карт открытых песков и дефлированных территорий в разные периоды года с использованием методов машинного обучения. При решении такой задачи большинство ансамблевых моделей демонстрирует сопоставимую точность, поэтому выбор применяемого метода обуславливается прежде всего его быстродействием. Для задач картографирования открытых песков и дефлированных территорий оптимальным является градиентный бустинг, а источником данных — очищенные от маскирующего влияния облаков трёхмесячные композитные изображения.
Цель исследования заключается в разработке метода создания опорной выборки и картографирования внутригодовой динамики открытых песков и дефлированных территорий по спутниковым изображениям высокого пространственного разрешения с использованием машинного обучения.

Открытые пески и дефлированных участки без растительного покрова характеризуются низкими значениями ВИ, например, NDVI (англ. Normalized difference vegetation index), высокими значениями альбедо и КСЯ, особенно в красном диапазоне спектра. Совместное использование данных КСЯ и ВИ важно, так как высокими значениями КСЯ характеризуются и частично заросшие растительностью пески, а низкими значениями ВИ — устойчивые против дефляции участки со стравленной надземной фитомассой или растительностью в период покоя. Таким образом, лишённые растительного покрова дефлированные участки могут быть выделены на основе пороговых значений КСЯ и ВИ: за счёт низких значений ВИ выделяются участки без фотосинтезирующей растительности, а высокие КСЯ способствуют отделению открытых песков и дефлированных.

«Ядра» дефляции, представленные участками без растительного покрова в течение вегетационного периода, на протяжении всего года имеют низкие значения ВИ и высокие значения КСЯ. В таком случае максимальное годовое значение ВИ не превысит соответствующее значение для участков без растительности, а минимальное значения КСЯ должно быть не ниже соответствующего значения КСЯ для открытых песков. Таким образом, часть опорной выборки, которая соответствует открытым пескам и дефлированным территориям, существующим в течение всего года (минимальная площадь), может быть получена на основе двух пороговых значений: максимума ВИ и минимума КСЯ или другого показателя, который характеризуется большими значениями на открытых песках (рисунок 1).

Рисунок 1 — Блок-схема метода картографирования открытых песков и дефлированных территорий

Если в течение года значение ВИ хотя бы в один из периодов будет ниже порогового, а значение КСЯ — выше, то есть основания для отнесения таких участков к зарастающим пескам или областям аккумуляции эолового материала. В таком случае они могут быть выделены, если минимальное значение ВИ за вегетационный период ниже соответствующего порогового значения для открытых песков, а максимальное значение КСЯ — выше. Таким образом создаётся маска для поиска открытых песков и дефлированных территорий (максимальная площадь), оставшаяся часть территории при этом может быть использована в качестве выборки как площади, на которых не были зафиксированы открытые пески. Полученный растр может подаваться на вход алгоритма классификации или модели машинного обучения в любой из периодов в течение года (рисунок 1). При этом необходимо обоснование соответствующих пороговых значений КСЯ и ВИ.

На территории исследований проективное покрытие растительности редко превышает 50–70 %, поэтому для нижнего порога площади открытых песков в пикселе предлагается использовать 25 %. Сопоставление данных аэросъёмки и спутниковых изображений сопровождается неопределённостями, связанными с погрешностью географической привязки, которая у Sentinel-2 составляет 10–12 м. Также на полученных по ортофотопланам картам открытых песков их площадь может быть несколько занижена из-за изменения условий освещения во время выполнения полётного задания, теней от растительности и барханов, поэтому пороговое значение площади участков, лишённых растительности, в пикселе не должно быть больше 70–90 %. Таким образом, в опорную выборку в категорию без фиксации открытых песков и дефлированных территорий попадают пикселы, для которых их максимальная площадь в течение всего вегетационного периода не превысила 25 %. К открытым пескам и дефлированным территориям в опорной выборке были отнесены пикселы, доля соответствующих категорий в которых была не ниже 75 % на протяжении вегетационного периода. В этом случае пороговое значение отнесения к открытым пескам для минимального значения КСЯ красного диапазона по трёхмесячным композитным изображениям, соответствующее пятому перцентилю, будет равно 0,22, а максимального NDVI (95-й перцентиль) — 0,20 (рисунок 2). Ряд исследователей также предлагают использовать пороговое значение NDVI равное 0,2 для идентификации территорий без растительного покрова. Для выделения пикселов, в которых максимальная площадь открытых песков и дефлированных территорий не превысила 25 % эти значения составляют 0,15 и 0,21 соответственно. При использовании других источников спутниковых данных или граничных величинах площадей открытых песков в пикселе возможна коррекция пороговых значений КСЯ и NDVI на основе рисунка 2.
 

Рисунок 2 — Значения 5 %-го перцентиля максимальных и минимальных КСЯ красного диапазона (а, б) и 95 %-го перцентиля максимальных и минимальных NDVI (в, г) для разных порогов максимальных (а, в) и минимальных (б, г) площадей открытых песков в пикселе (I — одномоментные данные Sentinel-2 с разрешением 10 м, II — одномоментные данные Sentinel-2 с разрешением 20 м, III — трёхмесячные изображения Sentinel-2 с разрешением 10 м, IV — трёхмесячные изображения Sentinel-2 с разрешением 20 м, V — одномоментные изображения Landsat-8, -9)

В результате исследования предложен эффективный метод формирования опорной выборки для последующей классификации открытых песков и дефлированных территорий на основе пороговых значений максимальных и минимальных значений КСЯ и ВИ с использованием композитных спутниковых изображений и методов машинного обучения. Проверка полученных пороговых значений за пределами основного региона проведения исследований по данным другого года продемонстрировала достаточно высокую точность, поэтому результаты могут быть рекомендованы для применения в Северо-Западном Прикаспии. Для других территорий и спутниковых данных может быть необходима коррекция пороговых значений КСЯ и ВИ.

Предложенный подход на основе использования пороговых значений даёт возможность в автоматическом режиме формировать опорные выборки исключая трудоёмкие процедуры. За счёт этого возможно построение карт сезонных изменений площадей открытых песков и дефлированных территорий разного временного разрешения. Полученные результаты картографирования лишённых растительного покрова участков достаточно точно согласуются с данными на основе контролируемой классификации и подбора пороговых значений на основе экспертной оценки. Точность картографирования песков и использованием разработанного метода достигает 99 %.

Перспективным направлением развития методов картографирования открытых песков и дефлированных территорий может быть калибровка на основе полученных карт данных более низкого пространственного разрешения, но более высокого временного, например, MODIS (англ. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). Это откроет возможность более оперативного картографирования изменений площадей подверженных дефляции земель, а также формирования долговременного архива карт открытых песков с 2001 г.