Дистанционный мониторинг лесных экосистем в условиях меняющегося климата

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-16-00094

НазваниеДистанционный мониторинг лесных экосистем в условиях меняющегося климата

Руководитель Курбанов Эльдар Аликрамович, Доктор сельскохозяйственных наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Поволжский государственный технологический университет" , Республика Марий Эл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-101 - Лесное хозяйство

Ключевые слова Дистанционное зондирование Земли, мониторинг, лесные экосистемы, спутниковые снимки, лесоводство, ГИС, устойчивое управление лесами

Код ГРНТИ68.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Прогресс в изучении влияния глобального изменения климата на жизнь человечества, рациональное использование природных ресурсов и прогнозирование состояния биосферы требуют более современных методологий их оценки, мониторинга и адаптации. Надежные данные о растительном покрове земли и его изменениях критически необходимы для решения целого ряда важных научных проблем ‒ от влияния землепользования на глобальный цикл углерода, энергообмен на поверхности земли и водный баланс до влияния климата на продуктивность растительности и нарушения ее покрова с целью понимания социальных и экологических причин и последствий таких изменений. Актуальность проблемы обусловлена важностью выполнения концепции устойчивого управления лесами России, мониторинга и защиты лесов от чрезвычайных ситуаций. Леса и лесной сектор могут играть значительную роль в достижении нескольких ЦУР ООН (Целей Устойчивого Развития) и осуществлении программ климатической политики по снижению концентрации углекислого газа в атмосфере, ускорению декарбонизации экономики, улучшению социально-экономических условий сельского населения и защите окружающей среды. Лесные экосистемы являются одним из основных естественных поглотителей углерода, на максимальный учет поглотительной способности которых указывается в первом определяемом на национальном уровне вкладе Российской Федерации в рамках реализации Парижского соглашения. Развитию дистанционных методологий для оценки и мониторинга лесов придается приоритетное направление в нескольких государственных директивных документах: «Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года», «Устойчивое управление лесами России», «Основы государственной политики в области использования, охраны, защиты и воспроизводства лесов в Российской Федерации на период до 2030» и «Лесной кодекс». Проект предполагает разработку методологии дистанционного мониторинга лесных насаждений на примере Среднего Поволжья Российской Федерации в условиях меняющегося климата. Оценка воздействия таких последствий (температурный режим, влажность, засуха, осадки) на уязвимость и адаптацию лесных экосистем, а также возможные риски нарушений насаждений, лесные пожары и увеличение вредителей/болезней может иметь важное научно-практическое значение. В работе будут использованы спутниковые снимки разного пространственного разрешения (MODIS, Landsat, Spot, Sentinel-2, Канопус и Ресурс). На основе полевых экспериментальных исследований и по спутниковым изображениям разного пространственного разрешения будут изучены закономерности в смещении ареалов основных лесообразующих пород, частоты происходящих нарушений (лесные пожары, засухи, буреломы), усыхание отдельных древесных пород (например, ель) после засухи 2010 и 2021 гг., зарастание брошенных земель и гарей древесно-кустарниковыми инвазивными породами. В течение проекта на территории исследований будут заложены 300 экспериментальных тестовых лесных участков с подробным описанием лесотаксационных показателей древостоя и оценки его состояния. Для этого планируются полевые работы в широколиственной, смешанной и лесосостепной зоне Поволжья (Республики Марий Эл, Чувашия, Татарстан, а также Нижегородская, Кировская и Пензенская области). Эти сведения будут использованы для оценки точности тематического картографирования наземного покрова Среднего Поволжья по спутниковым снимкам и индикаторов влияния изменения климата на лесные экосистемы. В работе будут разработаны алгоритмы оценки фрагментированности и нарушенности лесных насаждений, стыковки карт климатических метаданных с разработанной картой лесного покрова, автоматической оценки состояния лесного покрова на тематических картах разновременных спутниковых снимков. Впервые для исследуемого региона будет использовано комплексное имитационное моделирование отклика лесов на происходящие изменения, а также изучена пространственно-временная динамика площадей различных классов лесного покрова. Использование данных современных спутниковых систем позволит значительно повысить уровень достоверности и оперативности проводимых оценок лесного фонда. Кроме того, исследования позволят проводить валидацию оценок лесного покрова на континентальном и глобальном уровнях на основе базы тестовых региональных данных и использования унифицированных алгоритмов распознавания различных классов лесных насаждений. Верификация полученных моделей, индикаторов и тематических карт будет проведена на наиболее представленных типах лесных экосистем Среднего Поволжья. Использование спутниковых данных позволит усилить практическое применение космических разработок России в краткосрочной перспективе для мониторинга лесов. Оперативный мониторинг лесных насаждений и оценка их состояния позволят прогнозировать и предотвращать крупные стихийные бедствия на исследуемой территории. Это в свою очередь обеспечит устойчивость экономического роста и социальную стабильность развития Российской Федерации. Полученные результаты и ГИС проект будет доступен заинтересованным лицам на геопортале ЦУДМЛ ФГБОУ ВО «ПГТУ».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дергунов Д.М., Воробьёв О.Н., Курбанов Э.А., Лежнин С.А., Губаев В.А., Тарасова Л.В. Анализ динамики эвапотранспирации лесов Среднего Поволжья по данным МОД16А2 за 2001-2021 гг. Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг, ФГБОУ ВО "ПГТУ", Йошкар-Ола, № 8. № статьи 11. С. 108-119 (год публикации - 2022)
10.25686/4184.2022.65.71.001

2. Лежнин С.А., Губаев В.А., Воробьёв О.Н., Курбанов Э.А., Дергунов Д.М., Тарасова Л.В. Прогноз состояния лесных экосистем Среднего Поволжья с использованием самообучающихся моделей Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг, ФГБОУ ВО "ПГТУ", № 8, статья 10, С. 95-107. (год публикации - 2022)
10.25686/10.25686.2022.48.81.010

3. Тарасова Л.В., Курбанов Э.А., Воробьев О.Н., Лежнин С.А., Дергунов Д.М. Использование разносезонных изображений Sentinel-2 для картографирования водоохранных лесов Марийского Заволжья Лесные экосистемы в условиях изменения климата: биологическая продуктивность и дистанционный мониторинг, ФГБОУ ВО "ПГТУ", Йошкар-Ола, № 8, статья 8, С. 65-83. (год публикации - 2022)
10.25686/10.25686.2022.79.42.008

Публикации

1. О. Н. Воробьёв, Э. А. Курбанов, Д. Ша, С. А. Лежнин, Д. Ван, Д. М. Дергунов Мониторинг и прогноз динамики наземного покрова Среднего Поволжья по спутниковым данным в QGIS MOLUSCE Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, № 5, Т. 20, С. 176-193 (год публикации - 2023)
10.21046/2070-7401-2023-20-5-176-193

2. И. Ван, Э. А. Курбанов, Д. Ша, О.Н. Воробьёв, Д. Ван, С.А. Лежнин Анализ пространственно-временной динамики лесов городского округа Чжанъе: влияние природных факторов на экологический индекс дистанционного зондирования Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование (год публикации - 2023)
10.25686/2306-2827.2023.3.55

3. О. Н. Воробьёв, Э. А. Курбанов, С. А. Лежнин, А. В. Губаев, Д. М. Дергунов, Л. В. Тарасова Пространственно-временной анализ фрагментации лесного покрова Среднего Поволжья с использованием ландшафтных индексов и спутниковых данных Landsat Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, № 1, Т. 20, С 144-159 (год публикации - 2023)
10.21046/2070-7401-2023-20-1-144-159

4. Л. В. Тарасова, Э. А. Курбанов, О. Н. Воробьёв, С. А. Лежнин Оценка разносезонных изображений Sentinel-2 для классификации лесного покрова водоохранных зон рек Марийского Заволжья Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование., № 2, Т. 58, 77-92 (год публикации - 2023)
10.25686/2306-2827.2023.2.77

5. С.А. Лежнин, А.В. Губаев, О.Н. Воробьев, Э.А. Курбанов, Д.М. Дергунов Дистанционный мониторинг зарастания залежей Республики Марий Эл методом анализа главных компонент Исследование Земли из космоса, № 2, С. 21-31. (год публикации - 2024)
10.31857/S0205961424020034

6. Д.М. Дергунов, О.Н. Воробьев, Э.А. Курбанов, С.А. Лежнин, А.В. Губаев Оценка алгоритма «Случайный лес» машинного обучения для классификации фитомассы лесов по данным Sentinel-2: на примере заказника «Сосновоборский» Пензенской области Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование, № 1, Т. 61, С. 30-44. (год публикации - 2024)
10.25686/2306-2819.2024.1.30

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В третий год реализации проекта было собрано и подготовлено 606 спутниковых изображений и композитов из открытых источников, а также добавлено 100 тестовых участков на территории исследования Среднего Поволжья. Разработаны и зарегистрированы три программы на ЭВМ: 1) Модуль «CSFM&RS_NBC» (№2024682382) для автоматизированного картографирования наземного покрова по спутниковым данным; 2) Модуль «CSFM&RS_DA» (№ 2024687627) для сравнения разновременных тематических карт и спутниковых снимков; 3) Модуль «CSFM&RS_NAC» (№2024688998) для полуавтоматической классификации наземного покрова по спутниковым изображениям. На исследуемой территории наивысшие значения индекса NDVI наблюдаются на лесных участках, которые остались неизменными в период с 1985 по 2021 годы. Участки с небольшим снижением NDVI, как правило, расположены, на сельскохозяйственных угодьях, что свидетельствует о их значительной сезонной изменчивости. В целом, в лесных массивах наблюдаются положительные тенденции, указывающие на естественный процесс роста деревьев без значительных нарушений. Также отмечается высыхание болот, вызванное засухой 2010 года. Проведено картирование лесных гарей на основе алгоритма объектно-ориентированного анализа изображения (OBIA – Object Based Image Analysis). Результаты показали, что общая точность и индекс Каппа для классификации сегментированного медианного изображения Sentinel-2, полученного методом OBIA, имеют более высокие значения по сравнению с попиксельной классификацией исходного четырехканального изображения Sentinel-2. В рамках проекта было проведено моделирование отклика биопродуктивности лесов региона на изменение климата с учетом двух уровней пространственного анализа: общего лесного покрова региона и лесных гарей. Прогнозные данные до 2050 г. по всем исследуемым климатическим сценариям представлены в виде динамики NDVI лесного покрова Среднего Поволжья, а также LST и Pr. В целом, для Среднего Поволжья характерны следующие тенденции: (1) прогнозируется рост NDVI лесного покрова при увеличении LST по всем климатическим сценариям IPCC (RCP2.6, RCP6.0 и RCP8.5); (2) во всех случаях наблюдается снижения Pr в центральной и восточной частях региона, особенно выраженное в сценарии RCP8.5. При комплексном анализе важно учитывать совпадение прогнозных тенденций по различным климатическим сценариям, что повышает точность оценок. Полученные тренды свидетельствуют о сокращении временного интервала между засушливыми сезонами с 10 до 6 лет, что создает значительные риски для лесных насаждений в исследуемом регионе. Прогнозы показывают, что наиболее уязвимыми к засухе и лесным пожарам, являются лесные насаждения в центральной и южной части Кировской области, а также в центральной и северной части Республики Марий Эл. Моделирование и прогнозный анализ лесовосстановления на гарях показало положительную динамику индекса NBR для исследуемой территории. Тренды лесовосстановления равномерно распределены по всем гарям, с небольшими участками негативных трендов, включая зоны, подвергшиеся горению два или три раза за исследуемый период. Множественный регрессионный анализ показал, что климатические факторы существенно влияли на восстановлении лесов, при этом температура оказала более значительное влияние на лесовосстановление (рост растительности) по сравнению с осадками, что подтверждается. значения стандартной ошибки и T-статистики. Проведена верификации основных классов лесного покрова путем анализа соответствия тематических классов на карте 2021 года и данных экспертной оценки. Результаты верификации свидетельствуют о высоком 95% соответствии классов наземного покрова, полученных на тематических картах, другим объективным данным. Коллективом проекта проведена 13-я международная конференция «Лесные экосистемы в условиях изменения климата: дистанционный мониторинг и биологическая продуктивность» (https://feucc-ru.volgatech.net/).Участники проекта выступили с докладами на нескольких российских и международных конференциях, где представили результаты своей работы.

Публикации

1. Тарасова Л.В., Курбанов Э.А., Воробьев О.Н., Х. Бу, Лежнин С.А., Дергунов Д.М. Мониторинг лесного покрова водоохранных зон рек Марий Эл по спутниковым данным Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, № 2., Т. 21., С. 177-195 (год публикации - 2024)
10.21046/2070-7401-2024-21-2-177-195

2. Воробьёв О.Н., Лежнин С.А., Курбанов Э.А., Яхьяев А.Б., Дергунов Д.М., Тарасова Л.В., Ястребова А.В. Прогнозный анализ лесного покрова Среднего Поволжья на основе временных рядов и климатических сценариев Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса , № 4, Т. 21, С. 115-130. (год публикации - 2024)
10.21046/2070-7401-2024-21-4-115-130

3. Курбанов Э.А., Тарасова Л.В., Яхьяев А.Б., Воробьёв О.Н., Гозалов О., Лежнин С.А., Ван Д., Шан Д., Дергунов Д.М., Ястребова А.В. Detecting Trends in Post-Fire Forest Recovery in Middle Volga from 2000 to 2023 Forests, V. 15, Art. 1919 (год публикации - 2024)
10.3390/f15111919

4. Воробьева Н.О., Лежнин С.А., Воробьев О.Н., Курбанов Э.А., Дергунов Д.М. Программа на ЭВМ Модуль «CSFM&RS_NBC» для автоматизированного картографирования наземного покрова по спутниковым данным Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, № 2024682382 (год публикации - 2024)

5. Губаев А.В., Лежнин С.А., Воробьев О.Н., Курбанов Э.А., Дергунов Д.М., Тарасова Л.В. Модуль «CSFM&RS_NAC» для полуавтоматической классификации наземного покрова по спутниковым изображениям Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, № 2024688998 (год публикации - 2024)

6. Губаев А.В., Лежнин С.А., Воробьев О.Н., Курбанов Э.А., Дергунов Д.М. Модуль «CSFM&RS_DA» для сравнения разновременных тематических карт и спутниковых снимков Федеральная служба по интеллектуальной собственности, Москва, № 2024687627 от 20 ноября 2024 (год публикации - 2024)

7. Ван И., Курбанов Э.A., Ша Д., Воробьёв О.Н., Ван Д., Дергунов Д.М. Assessing the Ecological Health of Hexi Corridor’s Forest Ecosystem Using RSEI Time Series Вестник ПГТУ. Сер.: Лес. Экология. Природопользование, № 2, Т. 62, 64–81 (год публикации - 2024)
10.25686/2306-2827.2024.2.64

8. О.Н. Воробьев, Э.А. Курбанов, С.А. Лежнин, Д.М. Дергунов, Л.В. Тарасова Дистанционный мониторинг нарушений лесного покрова Среднего Поволжья: геоинформационный анализ и пространственно-временное моделирование РИО Поволжского государственного технологического университета, Йошкар-Ола., 160 с. (год публикации - 2025)

9. Дергунов Д.М., Воробьёв О.Н., Курбанов Э.А., Лежнин С.А., Губаев А.В. Оценка алгоритма «Случайный лес» машинного обучения для классификации фитомассы лесов Вестник ПГТУ. Сер.: Лес. Экология. Природопользование, № 1, Т. 61, С. 30-43. (год публикации - 2024)
10.25686/2306-2819.2024.1.30

10. Курбанов Э.А., Воробьев О.Н., Лежнин С.А., Дергунов Д.М., Ван. Д., Ша. Д., Губаев А., Тарасова Л.В., Ван. И. Temporal and spatial analyses of forest burnt area in the Middle Volga region based on satellite imagery and climatic factors Climate, 45, Vol. 12 (год публикации - 2024)
10.3390/cli12030045

Возможность практического использования результатов
Разработанные в рамках проекта алгоритмы и программы на ЭВМ для оценки лесных ресурсов могут быть использованы для дальнейшего развития системы стратегического и среднесрочного планирования в лесном комплексе, особенно на региональном и муниципальном уровнях. Это поможет в решении задач долгосрочного планирования и прогнозирования развития лесного хозяйства и лесных планов субъектов Российской Федерации. Результаты оценки влияния климатических факторов на биологическую продуктивность лесов Среднего Поволжья могут быть учтены при реализации Стратегии для информационного обеспечения реализации Российской Федерацией Парижского соглашения по климату. Особое внимание следует уделить на результаты послепожарного мониторинга Среднего Поволжья. Эти исследования могут повысить достоверность и оперативности предоставления информации для принятия управленческих решений; улучшить планирование мероприятий по охране, защите и воспроизводству лесов; а также обеспечить точность и своевременность информации для федеральных ведомств и организаций региона.