Исследование возможностей дистанционной оценки сезонных и многолетних изменений площадей подвижных песков и дефлированных территорий для решения задач мониторинга опустынивания

В последние годы на юге России отмечена интенсификация процессов деградации растительного и почвенного покрова пастбищных ландшафтов вплоть до их полного опустынивания — превращения в открытые пески, деструктивные области (котловины выдувания) дефляции и другие полностью лишенные растительного покрова земли. Климатические изменения, направленные на усиление аридизации, неконтролируемый выпас домашнего скота, нерациональная распашка способствуют усилению процессов дефляции и водной эрозии. Мониторинг процессов деградации и своевременное принятие решений о регулировании антропогенных нагрузок, проведение фитомелиоративных мероприятий позволяют существенно снизить интенсивность процессов деградации и восстановить растительный покров, что уже было достигнуто на территории Чёрных земель в Калмыкии и отдельных участков пастбищ в Терско-Кумском междуречье. Высокая скорость и разнонаправленность как сезонных, так и многолетних изменений площадей дефлированных территорий требует разработки методов обработки временных рядов для определения стабильных, растущих и восстанавливающихся очагов опустынивания. Большая часть существующих исследований процессов опустынивания по данным ДЗЗ высокого пространственного разрешения не учитывает их сезонную динамику, при этом основывается либо на периоде максимума вегетации весной или в начале лета, либо не приводит сведений о датах использованных спутниковых изображений.

Целью исследований в отчетный период являлась разработка метода мониторинга сезонных изменений площадей подвижных песков и дефлированных территорий по данным ДЗЗ высокого пространственного разрешения с устраненным влиянием облачного покрова. Картографирование открытых песков и котловин выдувания осуществлялось на основе классификации с обучением ежемесячных композитных изображений Sentinel-2 в системе «Вега-Science» (рисунок 1). Опорные данные для классификации формировались на основе экспертного дешифрирования спутниковых изображений, а также по результатам экспедиционных работ, проведенных в 2021–2023 гг. Наличие ежемесячных спутниковых данных ДЗЗ за март-ноябрь каждого года позволяет выполнить анализ не только многолетних, но и сезонных изменений в площади опустынивания, что ранее на юге европейской России выполнялось только по данным среднего или низкого пространственного разрешения.

Рисунок 1 — Примеры картографирования открытых песков и дефлированных территорий севернее пос. Восточно-Сухокумск Республики Дагестан: а — май 2019 г.; б — май 2020 г.; в —октябрь 2020 г.; г — апрель 2021 г. Красный контур — результат классификации открытых песков и дефлированных площадей)

Кроме расчета площадей открытых песков и котловин выдувания на разные периоды, были определены и разности между ними, что дало возможность выявить приращения (новые площади, которые есть в текущем месяце/году, но отсутствовали в предыдущем), восстановление площадей (площади, отмеченные в предыдущем месяце/году, но отсутствующие в текущем), а также «переходящие» участки — пересечение между двумя периодами, общее для обоих. Также определялись максимальные и минимальные площади дефлированных территорий для каждого года: в первом случае сумма всех пикселей, которые относились к классу опустынивания не менее чем в одном месяце, во втором — только те пиксели класса опустынивания, которые сохранялись в этом состоянии на протяжении всех месяцев года. Поскольку изменение площадей открытых песков и дефлированных территорий состоит из непрерывных процессов образования новых и зарастания существующих, то анализ изменений площадей новых и восстановившихся очагов опустынивания позволяет более точно проанализировать факторы соответствующих процессов.

Высокая динамичность очагов открытых песков, связанная с эоловым переносом, распределением пастбищных нагрузок, гидротермическими условиями для вегетации растительности, способной закреплять пески, требует учитывать сезонные изменения площадей лишенных растительного покрова пастбищ при анализе их многолетних изменений. Одними из вариантов ежегодной характеристики площадей открытых песков и дефлированных территорий могут быть максимальные и минимальные годовые площади, включающие участки, которые были отнесены к данной категории хотя бы на одну дату в течение года, либо на протяжении всего года соответственно (рисунки 2, 3).

 

Рисунок 2 — Примеры определения минимальных (I) и максимальных (II) площадей открытых песков и дефлированных территорий в 2019–2020 гг. на севере Республики Дагестан

 
Рисунок 3 — Пример определения площадей открытых песков и дефлированных территорий на севере Республики Дагестан: а — максимальная площадь за год; б — минимальная площадь за год (I — переходящая площадь опустынивания, II — восстановление очагов опустынивания, III — новая площадь опустынивания)

Глубина архива данных Sentinel-2 ограничена 2015 г., а спутниковые изображения этой системы второго уровня обработки поставляются только с 2019 г. Соответственно наличие композитных изображений с устраненным влиянием облачности также ограничено 2019 г. В то же время для понимания процессов динамики состояния экосистем требуется их долговременный мониторинг. Миссия Landsat, несмотря на значительную продолжительность функционирования, не обеспечивает в полной мере сезонный охват, необходимый для мониторинга площадей открытых песков и дефлированных территорий, т.к. значительную часть времени функционировал только один аппарат Landsat-5 TM, а данные Landsat-7 ETM+ имеют артефакты. Только запуск КА Landsat-9 в 2022 г. позволил существенно увеличить временное разрешение данных Landsat. Таким образом, ни данные Sentinel-2, ни данные Landsat не позволяют получить необходимый долговременный ряд данных, учитывающий сезонные изменения площадей дефляции. Одним из решений проблемы недостаточной продолжительности рядов данных с отдельных спутниковых систем является использование мультисенсорных данных, в том числе калибровка изображений более низкого пространственного разрешения на подпиксельном уровне по изображениям более высокого разрешения.