Поиск усыханий хвойных насаждений по временным последовательностям композитных изображений Sentinel-2

В работе предложена методика определения усыханий хвойных лесов на основе анализа временной последовательности спутниковых изображений с использованием двух вегетационных индексов (ВИ): NDVI и NDWI. Индекс NDVI отражает состояние здоровья растительности (количество зеленой массы), в то время как индекс NDWI отражает водный стресс растительности ввиду того, что содержит канал коротковолнового ИК диапазона SWIR1 вблизи 1,6 мкм.
Методика апробирована на основе использования безоблачных композитных изображений (месячные композиты) на территорию Беларуси, построенных на основе изображений съемочной системой MSI спутника Sentinel-2 за пять последовательных лет, в период с мая по сентябрь 2019-2023 годов. Анализ изображений проводился для пикселей изображений, входящих в созданную векторную маску (границы участков) хвойных лесов. Временные ряды вегетационных индексов, рассчитанных по месячным композитам изображений, созданным по снимкам Sentinel-2, используются для расчета временных трендов ВИ NDVI и NDWI с целью оценки состояния леса на основе локализации регионов усыханий, определения срока развития усыханий и скорости деградации на разных участках леса.
В качестве полигонов для исследований использовались участки нескольких лесхозов (Минская область, Беларусь), где специалистами-лесопатологами были обозначены выдела елового леса, зараженного жуком-короедом, и где затем проводились санитарные вырубки. Результаты поиска усыханий по композитам Sentinel-2 протестированы и подтверждены данными спектральных измерений и видеосъемки с борта БПЛА, а также наземными обследованиями.
В результате было установлено, что для определения наличия усыханий и выделения регионов леса, наиболее подверженные стрессу (с высокой скоростью усыханий), оптимальным является использование спутниковых данных за последние три года за следующие месяцы: май, июнь, август и сентябрь. При этом июль является наименее информативным месяцем, что, по-видимому, связано с двумя поколениями короеда (в мае и в июле-августе). Для определения наиболее информативного месяца и оценки точности проведенного временного анализа был посчитан процент пересечения определенных по данной методике пикселей с устойчивым усыханием с областями, выделенными специалистами-лесопатологами для проведения санитарных вырубок. Рассчитанный процент пересечения масок вырубок и обнаруженных усыханий имеет наибольшие значения для июня и августа и составляет 84-92% для ВИ NDVI и 93-98% для ВИ NDWI. Наиболее точная оценка усыханий по ВИ NDVI и NDWI соответствует августу месяцу.
Авторы выражают благодарность сотрудникам ИКИ РАН (Лупяну Е.А., Кашницкому А.В.) за предоставленные композитные изображения Sentinel-2.