Разработка методологических основ совместного использования наземных и спутниковых данных для температурного мониторинга почв Алтае-Саянского региона

При прогнозировании пространственного распределения почв широко используются показатели температурного режима, полученные с помощью различных наземных датчиков. В последние годы для этих целей все активнее стали привлекаться данные спутниковых измерений. Современные системы и методы обработки данных дистанционного зондирования позволяют строить температурные поля с учетом ретроспективных данных и анализировать динамику различных процессов, в том числе в труднодоступных территориях и на больших площадях, которые сложно охватить достаточным количеством измерительных датчиков. Поэтому встала задача оптимального подбора спутниковых данных (с учетом их пространственного разрешения, частоты съемки) и оценки применимости этих данных для анализа температурных режимов территорий,а также определения факторов, влияющих на точность получаемых температурных оценок.
Опыт использования наземных и спутниковых измерений для решения подобного рода задач, можно найти, например, в работах [1,2]. В статье [1] изучают применимость датчиков типа «Thermochron» и данных MODIS/Terra LST для исследования поверхности Арктики (Гренландия), где делается вывод о сильной зависимости величины корреляции наземных и спутниковых измерений от сезонных климатических условий и облачности. В работе [2] при исследовании температурного поля Тункинской котловины был также применен метод совместного использования датчиков-термохронов, установленных на уровне 2 м от земли, и данных со спутников Landsat 5 и Landsat 7. Измерения на уровне почв проводились только в отдельных случаях, и каких-либо выводов и оценок о результатах этих измерений не приводится. Показано, что разность значений наземных и спутниковых измерений может составлять от 0 до 12 С и зависит от типа ландшафта и сезона съемки. Показано также, что значения температуры, полученные дистанционным методом, завышены для открытых участков местности и занижены для лесных ландшафтов.
В настоящей работе предпринята попытка оценить возможность применения данных Landsat 8 для изучения температурного режима высокогорий Алтае-Саянского региона. Наземный мониторинг был организован с использованием специализированного регистратора температуры DS-1921 «Thermochron» с учетом показателей, отражающих генетическое единство типов климата высокогорий. Автономные регистраторы температуры были установлены на поверхности почвы и по горизонтам почвенного профиля в пяти точках как на поверхности почвы, так и на высоте 2 м от поверхности почвы в условиях исключающих солнечную радиацию. В результате выполненных наблюдений был получен большой объем фактических данных, который использовался в качестве базовой основы для расчета количественных характеристик температурного режима воздуха и почв тундрово-степных комплексов.
Для определения температуры по данным Landsat 8 использовался наиболее распространённый метод, описание которого можно найти в работах [3-4]. Оценка коэффициента эмиссии, присутствующего в формуле для расчёта LST, проводилась на основе вегетационного индекса NDVI в летний период и снежного индекса NDSI в зимний. Кроме того, при извлечении данных накладывались маски, исключающие облачность и тень от облаков.
В качестве инструмента извлечения и обработки спутниковой информации использовалась система Google Earth Enginе. В этой системе спутниковые данные представлены по коллекциям, в том числе имеется коллекция атмосферно-скорректированных данных Landsat 8 (https://developers.google.com/earth-engine/datasets/catalog/landsat). Следует отметить, что, несмотря на то, что данные термальных каналов изначально имеют разрешение 100 м у этого спутника, в коллекции GoogleEarthEnginе они представлены в пересчете на разрешение в 30 м, что очень удобно для изучения объектов со сложным рельефом.
Наземные измерения показали, что в среднем разница между температурой почвы и воздуха составляет примерно 2-3,5°С. Среднее значение вычислялось на основе 2049 измерений, выполненных датчиками в течение года в каждой точке. Привлечение данных Landsat 8 с учетом маски облачности позволило провести оценку и сравнение наземных данных со спутниковыми. Выборки спутниковых данных содержали для разных точек от 11 до 27 значений, зафиксированных спутником в период 2014-2015гг. Время пролета спутника совпадало с точностью от 10 до 30 минут с наземными измерениями в различных точках. Для полученных наборов данных не было зафиксировано постоянное превышение температуры, вычисленной на основе спутниковых данных, над наземными измерениями для открытых участков почвы, как это указывалось в работе[2]. Также нельзя сказать, что разность между данными со спутника и наземными данными, измеренными на поверхности почвы меньше, чем разность с данными, измеренными на высоте 2м, несмотря на то что, считается, что спутник фиксирует температуру поверхности. Для каждой из точек наблюдений выполнена оценка разницы наземных и спутниковых измерений, построены соответствующие графики. В целом, коэффициент корреляции спутниковых и наземных данных превышает значение 0.8, что позволяет сделать вывод о принципиальной применимости спутниковых данных в оценке температурного режима почв.