Система мониторинга и трендового анализа состояния растительности по данным NDVI_Sentinel-2 на примере мегаполисов Казахстана

Резко континентальный, сухой и жаркий климат Центральной Азии является неблагоприятным для развития растительности без специальной ирригации. Спутниковые данные Sentinel-2, с разрешением 10 м дают возможность пространственно-детального описания подстилающей поверхности, в том числе и растительного покрова. Растительность играет особую роль в улучшении микроклимата урбанизированных территорий, особенно в мегаполисах Казахстана, к которым в настоящее время относится три города: Алматы (2,2 млн. человек [2023]); Астана (1,5 млн. [2024]); и Шымкент (1,0 млн. [2018]). В летний период растительность создает глубокие тени и охлаждает приземный слой воздуха за счёт эвапотранспирации с листовой поверхности.
Рост и развитие древесной растительности в городских территориях требует проведения определённых мероприятий, ключевым компонентом которых является регулярный полив. Важными объектами городской инфраструктуры являются специально организуемые парковые зоны. Это зоны притяжения большого количества людей и их неотъемлемым атрибутом является озеленение. Любая целенаправленная деятельность, связанная с обеспечением стандартов экологии городской среды, попадает в область публичного интереса и поэтому объективные инструменты её контроля оказываются весьма востребованными. При оценке состояния растительности наиболее интересны трендовые оценки, позволяющие на основе описания многолетней динамики объёма зелёной биомассы (уменьшение увеличение) судить об эффективности проводимых работ.
Спутниковые данные являются хорошо зарекомендовавшим себя, эффективными и объективными инструментами для мониторинга над состоянием растительного покрова. Вегетационные индексы, рассчитываемых по данным коэффициентов отражения в каналах видимого и ближнего инфракрасного диапазона, уже несколько десятилетий являются стандартными продуктами при описании параметров растительного покрова. Наиболее широко известен индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), использующий спутниковую съёмку в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. Развитие орбитальных платформ в направлении улучшения пространственного разрешения съёмки и предоставления свободного доступа к этой информации в настоящее время сделало возможным детальное описание элементов растительного покрова с разрешением 10 м. Такой уровень пространственной детализации достаточен для тестирования состояния растительности городов, включая парковые зоны, а в пределе может обеспечить описание даже отдельных крупных деревьев.
В данном исследовании спутниковые данные Sentinel-2 (разрешение 10 м), периода 2019-2024 гг. использовались для проведения трендового анализа состояния растительности в трёх крупнейших городах Казахстана (Алматы, Астана, Шымкент). В каждом мегаполисе формировалось и рассматривалось по три маски: городская урбанизированная территория; городская растительность; и отдельно парковые зоны. Исключение составлял г. Астана, для которого вместо городской растительности, рассматривался «зелёный пояс», представляющий собой специальные посадки древесной растительности вокруг города.
Исходными данными для исследования являлись временные ряды значений NDVI_Sentinel-2, периода с 20 марта по 20 октября, 2019 - 2024 гг. Описание каждого отдельного сезона базировалось на шести значениях NDVI. Эти значения получались путём определения наивысших значений NDVI в следующих временных окнах: 20 марта – 10 апреля; 10 апреля – 30 апреля; 1 мая – 31 августа; 20 августа-10 сентября; 10 -30 сентября; 1-20 октября. Таким образом, формировались значения NDVI, характеризующие весну (два значения), осень (три значения) и сезон в целом (одно значение). Городские маски формировались по следующим критериям: 1) урбанизированные территории, как зоны с величиной среднего многолетнего сезонного максимума NDVI менее 0,5; 2) городская растительность, территория со средними многолетними значениями сезонного максимума NDVI больше 0,5; 3) парковая зона – совокупность существующих крупных парков и скверов. Таким образом, использованный период мониторинга с 2019 по 2024 гг. обеспечил получение многолетних временных рядов, включающих по 6 отсчетов для каждой городской маски в каждом временном окне. Такой принцип предварительной фильтрации исходных данных NDVI обеспечивал исключение негативного влияния облачности, которое в климате Центральной Азии, хотя и имеет ограниченный масштаб, но все равно может присутствовать в отдельных временных промежутках.
Полученные временные ряды значений NDVI анализировались с точки зрения направленности монотонных трендов. Трендовый анализ базировался на непараметрическом методе Манна-Кендалла, в рамках которого рассчитывался ранговый коэффициент корреляции Кендалла (τA). Полученные значения (τA) могут варьироваться в диапазоне от -1,0 до +1,0. Для каждого пикселя применялся набор пороговых значений (τA), который сводил динамику растительности к пяти классам монотонных трендов: выраженные восходящие тренды (τA > +0,3); восходящие (+0,3 > τA > +0,1); невыраженные (-0,1 < τA < +0,1); нисходящие ( -0,3 < τA < -0,1); и выраженные нисходящие (τA<-0,3). Статистика представленности этих классов в рамках каждой маски в каждом временном окне характеризовала общее состояние городской растительности в период времени мониторинга.
В результате проведённого исследования было получено, что наиболее благоприятные условия для развития парковых зон в период 2019 – 2024 гг. регистрировались в Алматы. В целом за сезон (сезонный максимум NDVI), более 56% территории парковых зон имели тренд на улучшение, против 13% с негативной направленностью. В Шымкенте соответствующие характеристики составляли, 25% территорий с восходящим трендом, против 33% с нисходящим. В столице Казахстана г. Астана регистрировались наихудшие условия, 22% восходящих трендов, против 38% нисходящих. Зелёный пояс Астаны демонстрировал в период 2019-2024 гг. выраженную депрессивную динамику, 20% территории с улучшением, против 39% с ухудшением.
Информация по временам года (весна, осень) обеспечивала дополнительную детализацию динамики состояния растительности и позволяла локализовать возможные причины наблюдаемой картины. В Шымкенте весна и осень характеризовались доминированием трендов на улучшение парковых зон. Это позволяет предположить наличие дефицита воды в самый жаркий летний период, что возможно связано с конкуренцией за воду с поливным растениеводством, широко представленным вокруг города. В Астане положительные тренды NDVI в парковых зонах ярко доминировали только осенью, что можно связать с погодным компонентом, в форме особенностей температурно-влажностных условий сентября периода мониторинга с 2019 по 2024 гг.
Таким образом, непараметрический трендовый анализ относительно коротких временных рядом (несколько лет) спутниковых значений вегетационного индекса NDVI_Sentinel-2 с пространственным разрешением 10 м даёт возможность анализа растительных объектов небольших размеров, в том числе городской растительности, что представляет определенный практический интерес для контроля над общественно значимыми параметрами среды обитания.
Исследования профинансированы в рамках проектов министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, №№ АР26104709; BR24992908.