Фенологические подходы для выделения растительных сообществ на нарушенных и заброшенных торфяниках на основе данных Sentinel-2

Разработка торфяных месторождений оставила после себя большие площади нарушенных торфяников. В настоящее время многие из них заброшенны. В результате на таких землях часто возникают пожары. На нарушенных торфяниках формируются определенных набор растительных сообществ (Орлов, 2023, Сирин, 2020).
В работе предпринята попытка разработать подход автоматического выделения групп ассоциаций растительных сообществ, возникающих на заброшенных торфяниках с учетом фенологии основных доминантов.
В работе использованы геоботанические описания растительности выполнные в Тверской, Ленинградской и Псковской областях (всего 112 описаний). Анализ описаний позволил выделить следующие группы растительных ассоциаций на основе доминантной классификации:
1 – участки открытого торфа с редкой растительностью (Eriophorum vaginatum, Eriophorum angustifoliumб Politrichum strictum)
2 – разреженные пушицево-политриховые сообщества, кустарничково (Calluna vulgaris)-политриховые сообщества с пушицей влагалищной с отдельными деревьями (Betula pendula, Pinus sylvestris) и участками голого торфа;
3 - заросли березовые и сосновые пушицево-политриховые, редкотравные, вейниковые с участками голого торфа;
4 - леса березовые и осиновые редкотравные, злаковые, зеленомошные;
5 - леса сосновые и еловые редкотравные, мелкотравные, зеленомошные
6 - тростниковые (Phragmites australis) сообщества;
7 - осоковые (Carex spp) сообщества;
8 - осоково-сфагновые и кустарничково-сфагновые сообщества;
9 - сосново-кустарничково-сфагновые сообщества;
10 - ивовые (Salix spp) и березово-ивовые сообщества
11 - разнотравно-злаковые луговые сообщества
12 - участки открытой воды и сильно обводненные участки.
Выделенных группы ассоцициаций с одной стороны охватывают большой спектр возможных сообществ нарушенных трофяников, с другой стороны хорошо различимы на космических снимках.
В качестве основного материала для анализа использован набор разносезонных снимков Sentinel-2 (пространственное разрешение 10 м):
– зима (январь-середина марта),
- весна (середина апреля-середина мая),
- поздняя весна (середина мая- середина июня),
- лето (середина июня-август).
На основе набора снимков для каждого сезона рассчитаны индексы:
- максимальное значение NDVI,
- медианное значение EVI.
- Индекс WRI был рассчитан для периода май-июнь.
Последовательный алгоритм разделения растительных сообществ включал несколько этапов. На первом этапе на базе зимнего NDVI территория делится на 4 группы - однозначно выделяются хвойные леса, имеют максимальные значения NDVI в этот период; - однозначно выделяются мелколиственные леса; - выделяется группа зарослей, которая включает – молодые несомкнутые леса, ивовые и ивово-березовые сообщества, сосново-кустарничково-сфагновые сообщества и частично высокие заросли тростника; - выделяется группа открытых сообщества – торфяные пустоши, пушицево-политриховые, тростниковые, осоковые, сфагновые сообщества и водные и обводненные участки. Эти сообщества в зимний период имеют низкий NDVI, т.к. покрыты снегом.
На следующем этапе разделяются сообщества внутри выделенных групп зарослей и открытых сообществ.
Для открытых сообществ на основе индекса WRI за май и июнь месяцы отделяются водные и переувлажненные участки (12). Данные участки однозначно характеризуются с помощью данного индекса. В конце мая начале июня максимальной «зелености» достигают луговые сообщества (11). Они довольно однозначно отделяются по индексу EVI за этот период.
В середине лета, когда растительность достигает максимальной «зелености» отделяются помощью NDVI редкотравные сообщества, где значительные площади заняты голым торфом. (1 и 2). Финально для группы открытых сообществ разделяются тростниковые (6), осоковые (7) и осоково-кустарничково-сфагновые (8) сообщества. Это можно сделать на основе снимков конца апреля – первой половины мая, когда болотные сообщества с большой долей сфагнума уже достаточно зеленые за счет мхов и вечнозеленых кустарничков, а осоковые и тростниковые сообщества еще не начинали вегетировать. По значением EVI однозначно отделяются осоково-кустарничково-сфагновые сообщества. Условно можно разделить осоковые и тростниковые сообщества, считая, что EVI осоковых сообществ выше, чем EVI тростниковых сообществ. Далее аналогично разделяются группа зарослей. В мае-июне максимальные значения EVI характерны для ивовых и ивово-березовых зарослей (10). Далее на основе NDVI апреля мая однозначно отделяются высокие тростниковые заросли (6), которые в этот момент имеют низкий NDVI. Условно можно разделить молодые леса (береза, сосна) пушицево-политриховые, редкотравные, вейниковые с участками голого торфа (3) и сосново-кустарничково-сфагновые (9) сообщества. Вторые в этот период имеют больший NDVI.
Данный алгоритм реализован на базе Google Earth Engine. В пределах выбранных границ торфяника подбирается съемка за указанные периоды (зима, весна, поздняя весна и лето), рассчитываются индексы и формируется карта сообществ на основе разделения индексов по заранее заданным порогам.
Метод был апробирован на торфяниках Ленинградской, Псковской, Тверской областей.
Была оценена точность разработанного метода на основе полевых точек и матрицы ошибок и индекс К - Каппа Коэна. Достоверность составила от 0,7 до 0,79.
Исследование выполнено в рамках госзадания тема № FMWM-2022-0010.