Сравнительный анализ распознаваемости озимых культур по оптическим и радиолокационным спутниковым данным высокого пространственного разрешения

Проведён сравнительный анализ распознаваемости озимых культур по спутниковым данным высокого пространственного разрешения, получаемых оптическими (Landsat-8, 30 м, Sentinel-2А, 20 м) и радиолокационными (Sentinel-1, 9,8 м) системами дистанционного зондирования. Алгоритм распознавания включает поэтапное применение методов неконтролируемой и контролируемой классификации спутниковых изображений в среде геоинформационного сервиса Вега-Science (Толпин и др., 2014). Для проведения контролируемой классификации выполнялось обучение по набору опорных участков, выбираемых с помощью доступных в сервисе Вега карты растительного покрова (Барталев и др., 2015) и маски озимых культур (Плотников и др., 2017), формируемых по данным инструмента MODIS с пространственным разрешением 250 м. Валидация результатов распознавания озимых культур выполнена с использованием наземных данных о посевах на территории Труновского района Ставропольского края. Площадь посевов озимых культур, включенных в выборку опорных данных составила 78 тыс. га.
Важным фактором, определяющим уровень достоверности распознавания озимых культур, является выбор оптимальных дат спутниковых наблюдений и спектральных каналов изображений, обеспечивающих максимальную разделимость озимых и яровых посевов. В исследованиях использовались оптические изображения в красном и ближнем инфракрасном спектральном диапазонах и данные радарной съемки при VH-поляризации, полученные в период 1-25 апреля 2016 года. Оценивалась точность как пиксельной, так и объектной, т.е. заданной границами полей, классификации озимых культур. При пиксельной классификации точность распознавания озимых культур с использованием одиночного изображения продемонстрировала существенные различия для оптических и радарных данных, составив соответственно 91% и 67%. Использование же объектной классификации озимых культур позволяет снизить различия в точности распознавания озимых культур по оптическим и радарным данным до 17% при обработке одиночного радарного изображения и 10% в случае использования их временного ряда, полученного в течение апреля 2016 года. При этом совместная классификация временного ряда оптических изображений не дала заметного повышения точности распознавания озимых культур. Комплексирование же оптических и радарных данных позволяет повысить точность распознавания озимых посевов на уровне объектов до 98%.
Наряду с оценкой точности распознавания озимых культур были определены площади их посевов и проведено сравнение с данными государственной статистики за 2016 год. При этом наименьшее отклонение от площади озимых культур по данным государственной статистики продемонстрировали результаты объектной классификации одиночного оптического изображения, составив лишь 0,3%.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о недостаточной эффективности использования радиолокационных данных для раннего выявления посевов озимых культур. В то же время, радарные данные могут быть полезны для мониторинга озимых культур при отсутствии безоблачных оптических изображений, позволяя уточнять границы посевов и их площади.
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).
Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, контракт 14.616.21.0063, уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI61615X0063.