Влияние методов пространственной коррекции и фильтрации пробных площадей на точность оценки запаса стволовой древесины по данным Sentinel-2

Для формирования по спутниковым данным Дистанционного Зондирования Земли (ДЗЗ) карт характеристик леса, в том числе необходимых для оценки их запасов углерода, в национальном масштабе, используются данные ДЗЗ со средним пространственным разрешением (~250 м/пиксель). Однако, наиболее актуальные данные наземных обследований лесов, доступные для их валидации, характеризуют лесной покров на уровне пробных площадей (ПП) диаметром около 30 м, что затрудняет их прямое сопоставление. В связи с этим актуальной является задача создания карт характеристик лесов высокого разрешения с размером пикселя 10-30 м, основанных на совместном использовании материалов ПП и ДЗЗ, в том числе для валидации продуктов обработки данных ДЗЗ среднего пространственного разрешения.
Использованы данные Sentinel-2 с пространственным разрешением 10-20 м с временным шагом 5 дней в течение вегетационного периода, а также зимнее композитное изображение, в видимых, ближних и средних ИК каналах, характеризующих сезонную и фенологическую динамику спектрально-отражательных характеристик лесного покрова, а также материалы реласкопических ПП, расположенных регулярной сетью (шаг 200 м) на тестовый полигон 2×2 км. Оценка запаса стволовой древесины проводилась с применением алгоритма машинного обучения Random Forest.
В докладе представлен подход, включающий три этапа обработки обучающей выборки для учёта особенностей реласкопического метода обследований:
1. Расширение и балансировка выборки: добавление синтезированных безлесных эталонов и исключение ПП с крайне низким запасом древесины;
2. Пространственная коррекция: оптимизация расположения ПП в пределах локального окна для достижения максимальной корреляции спектральных признаков с запасом стволовой древесины;
3. Идентификация выбросов: определение статистически нерепрезентативных ПП для их потенциального исключения с целью повышения устойчивости модели.
Проведен эксперимент и выполнен сравнительный анализ точности оценок, полученных на основе исходных и скорректированных ПП, с использованием кросс-валидации. Применение предложенного комплекса методов обеспечило повышение точности и устойчивости модели.
Работа выполнена в рамках работ по теме «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8). Использовалась инфраструктура хранения и обработки спутниковых данных Центра коллективного пользования “ИКИ-Мониторинг” (Лупян и др., 2019).
1. Лупян Е.А., Прошин А.А., Бурцев М.А., Кашницкий А.В., Балашов И.В., Барталев С.А., Константинова А.М., Кобец Д.А., Мазуров А.А., Марченков В.В., Матвеев А.М., Радченко М.В., Сычугов И.Г., Толпин В.А., Уваров И.А. Опыт эксплуатации и развития центра коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных (ЦКП «ИКИ-Мониторинг») // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 3. С.151-170. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-3-151-170.