Методология комплексного использования спутниковых данных дистанционного зондирования, выборочных наземных наблюдений и моделирования для мониторинга бюджета углерода в лесах России (лекция)

Необходимость получения регулярно актуализируемой информации о запасах и динамике углерода в лесах России требует разработки комплексной технологии мониторинга, способной обеспечить ежегодный охват всей территории страны, отвечающей требованиям полноты и пространственной детальности оценок параметров углеродного бюджета при известном уровне их неопределенности. Достижение этой амбициозной цели в современных условиях может быть обеспечено на основе оптимального сочетания данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, выборочных наземных измерений и комплекса моделей, совокупное использование которых создает необходимые предпосылки для получения информации о породно-возрастной структуре лесов, их биомассе и продуктивности, деструктивных нарушениях вследствие природных и антропогенных воздействий, служит основой для оценки параметров бюджета углерода. Концепция метода определения пулов углерода в фитомассе и древесной мортмассе лесов основана на совместном использовании данных из различных источников и моделей, описывающих динамику насаждений и взаимосвязи между различными их характеристиками.
Разработанные к настоящему времени методы ДЗЗ из космоса обеспечивают возможность регулярного получения ряда ключевых характеристик, необходимых для оценки бюджета углерода лесов в масштабах страны, включая их запас стволовой древесины, породную и возрастную структуру, класс бонитета (продуктивности). Комплексное использование данных ДЗЗ с результатами выборочных наземных измерений характеристик древостоев на репрезентативной сети пробных площадей открывает возможности получения верифицированных оценок параметров бюджета углерода в фитомассе лесов России, обладающих высоким уровнем пространственной детальности при их ежегодной актуализации.
Для решения задач мониторинга углерода в лесах необходимо использовать спутниковые данные ДЗЗ, отвечающие следующей совокупности требований:
‒ наличие данных радиометрически калиброванных и скорректированных на влияние атмосферы измерений отраженного земной поверхностью солнечного излучения в необходимом наборе спектральных диапазонов, позволяющих, в частности, оценивать характеристики растительности (красный и ближний инфракрасный - ИК), выявлять вызванные нарушениями отклонения в ее состоянии (средний ИК);
‒ высокое временное разрешение спутниковой съемки, обеспечивающее полное ежедневное покрытие территории страны данными ДЗЗ и, как следствие, возможность мониторинга быстрых изменений спектрально-отражательных характеристик земного покрова, вызванных, в частности, фенологической динамикой лесной и другой растительности, изменениями ее состояния под воздействием природных и антропогенных деструктивных факторов;
‒ наличие однородного многолетнего архива данных спутниковой съемки, способного обеспечить возможности долгосрочного мониторинга характеристик лесов и ассимиляции получаемой информации в модели роста древостоев для оценки параметров, не подлежащих непосредственной оценке дистанционными методами.
При этом при рассмотрении множества спутниковых систем ДЗЗ, удовлетворяющих совокупности вышеприведенных требований, целесообразно стремиться к использованию данных с наиболее высоким пространственным разрешением. В настоящее время совокупности указанных требований в наибольшей степени отвечают следующие функционирующие спутниковые системы ДЗЗ:
‒ MODIS, спутники Terra и Aqua, пространственное разрешение 250 м и 500 м;
‒ VIIRS, спутник Suomi NPP, пространственное разрешение 375 м;
‒ MSI, спутник Sentinel-3, пространственное разрешение 300 м.
Регулярная дистанционная оценка показателей лесов, необходимых для мониторинга параметров их бюджета углерода, предполагает использование непрерывных временных рядов данных спутниковых измерений спектрально-отражательных характеристик земного покрова, описывающих его динамику в различные сезоны года, включая фенологические периоды активной вегетации и состояния зимнего покоя растительности. Формирование такого рода непрерывных временных рядов спектрально-отражательных характеристик достигается проведением на первом этапе специализированной предварительной обработки данных ДЗЗ, направленной на выявление и фильтрацию измерений, искаженных влиянием облаков или отбрасываемых ими теней, наличием неустойчивого или фрагментарного снежного покрова (включая, снег на кронах деревьев), аномальными геометрическими условиями наблюдения. Очищенные от влияния факторов, искажающих измерения спектрально-отражательных характеристик земного покрова, данные ДЗЗ служат основой дальнейшей реконструкции непрерывных многолетних временных рядов многоспектральных композитных спутниковых изображений. Полученные в зимний период времени данные спутниковой съемки используются для построения радиометрически нормализованных безоблачных композитных спутниковых изображений покрытой снегом земной поверхности, характеризуемые повышенным яркостным контрастом между древесной растительностью и свободной от нее земной поверхностью, а также снижением вариабельности спектрально-отражательных характеристик последней. Формируемые в результате предварительной обработки реконструированные временные ряды ежедневных композитных изображений на всю территорию России используются при построении и динамическом обновлении спутниковых карт ключевых характеристик лесов страны для национального мониторинга углерода наземных экосистем.
Настройка параметров алгоритмов классификации земного покрова, калибровка моделей оценивания характеристик лесов, а также верификация получаемых методами ДЗЗ результатов, предусматривает использование набора опорных данных, отвечающих требованиям репрезентативности: статистической, тематической (представленность полного набора распознаваемых классов и диапазона значений оцениваемых характеристик) и географической (охват различных лесорастительных условий).
Согласно предлагаемой концепции дистанционный мониторинг углерода лесов России предполагает получение по результатам обработки данных ДЗЗ ряда ежегодно актуализируемых (динамических) карт лесов России следующего тематического содержания:
‒ типы наземных экосистем;
‒ преобладающие древесные породы лесов;
‒ запасы (объемы) стволовой древесины в лесах;
‒ характеристики горизонтальной структуры лесов, включая лесистость и полноту;
‒ класс бонитета (продуктивности) основного яруса лесов;
‒ возраст насаждений основного яруса;
‒ площадь рубок лесов;
‒ площадь и степень повреждения лесов пожарами и другими деструктивными факторами.
Применение предлагаемой концепции обеспечивает возможность оценки углерода в лесах. Модельные коэффициенты позволяют оценивать запас углерода растущих деревьев с учетом их основных фракций (листья, ветви, ствол с корой, корни) на основе имеющихся данных о древесной породе, классе бонитета, возрасте и относительной полноте. Использование моделей мортмассы позволяет на основе информации о древесной породе, запасе стволовой древесины, возрасте и классе бонитета оценивать содержание углерода в сухостое, валеже, а также пнях и сухих ветвях. Применение указанных моделей в нарушенных лесах для описания процессов разложения сухостоя и валежа, а также для моделирования динамики подроста позволяет детально учитывать динамику углерода фитомассы и мортмассы на рубках, гарях и на участках усыханий по различным причинам.
Предложенные методические подходы в своей совокупности обеспечивают возможность ежегодного получения оценок различных пулов углерода в лесах России на основе комплексного использования методов дистанционного зондирования из космоса, данных выборочных наземных наблюдений и комплекса моделей.
Лекция подготовлена при поддержке гранта Российского научного фонда № 19-77-30015.