Алгоритм детектирования рубок леса по спутниковым данным высокого пространственного разрешения

Для решения задач мониторинга изменений в лесах, связанных с вырубками, был разработан и реализован в виде программного модуля в рамках информационной системы "ВЕГА-Приморье" (Лупян и др., 2016) алгоритм детектирования вырубок. Алгоритм детектирования рубок основан на использовании зеленого (525-600 нм), красного (630-680 нм) и ближнего инфракрасного (845-885 нм) спектральных каналов спутниковых систем Landsat 8 или Sentinel-2A. При обработке данных Landsat 8 для повышения пространственной детальности результата используется панхроматический канал (500-680 нм).
Чтобы выявить изменения, произошедшие в определенный временной период, пользователь системы выбирает спутниковые данные для обработки и запускает автоматическую процедуру детектирования вырубок. Входными данными для алгоритма является пара разновременных спутниковых снимков, близких по спектральным характеристикам и дате (числу и месяцу) съемки. Кроме того, необходимым параметром алгоритма являются средние значения спектральной яркости леса и подстилающей поверхности, задаваемые пользователем или сгенерированные автоматически на основе имеющихся в информационной системе карт типов растительности.
На первом шаге с помощью заданных значений яркости леса, подстилающей поверхности и линейной модели спектральных смесей (Лупян и др., 2015) для каждого пикселя входного изображения оценивается доля площади пикселя, занимаемая лесом. На втором шаге строится изображение разницы полученных оценок доли леса и, по выбору пользователя, либо применяется заданный им порог (в стандартных отклонениях от среднего значения) (Shimabukuro et. al. 1991), либо порог вычисляется автоматически. Процедура автоматического подбора порога основана на предположении о нормальном распределении случайных шумов на полученном изображении разницы и отсутствии существенных различий в спектральных яркостях входных изображений, вызванных положением облаков и теней, а также фенологическими различиями. В результате работы процедуры детектирования вырубок строится попиксельная маска изменений для обрабатываемого участка, которая затем векторизуется и заносится в базу данных информационной системы "ВЕГА-Приморье".
В базе данных информационной системы хранится информация о координатах и дате вырубки, количестве, типе и датах обработанных данных, а также величине изменения для каждого построенного полигона. Принципы хранения изменений в базе данных информационной системы "ВЕГА-Приморье" позволяют каждому пользователю определять необходимую частоту обработки территории: чем чаще обработан участок, тем точнее границы и датировка произошедших изменений.
На данный момент алгоритм выявления изменений был протестирован в двух лесничествах Приморского края, Рощинском и Дальнереченском. На территории лесничеств были выявлены изменения, произошедшие в 2015, 2016 и начале 2017 года. Было проведено сравнение между полученными данными, данными официальной статистики и другими данными из открытых источников.
Данные о вырубках леса, полученные в результате работы алгоритма, могут быть использованы как для ежегодного статистического сравнения с отчетностью на уровне регионов и лесничеств, так и для проверки лесных деклараций. Проведенный анализ имеющихся в информационной системе деклараций об использовании лесов показал, что на территории Рощинского лесничества имеют место случаи «узаконивания» рубок, когда рубки леса фактически проводятся до момента подачи декларации. Кроме того, сравнение фактического и декларируемого контура вырубки в информационной системе «Вега-Приморье» дает возможность детектировать выход за границы отведенных лесосек. Так, при выборочном анализе деклараций Рощинского лесничества были обнаружены места, где вырубки выходят за границы декларируемых участков, что является нарушением. Данные о количестве, пространственном распределении и датам рубок леса, полученные из независимого и объективного источника могут служить опорой для принятия решения по профилактике и контролю незаконных рубок и материалом для работы с арендаторами лесных участков.
Работы выполнялась с использованием инфраструктуры Центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды (Лупян и др., 2015).
Данное исследование проводилось при финансовой поддержке РФФИ, грант №17-05-41152-РГО_а "Создание геоинформационных технологий для мониторинга природно-хозяйственных систем Приморского края на основе комплексного использования современных спутниковых систем дистанционного зондирования".