Применение индекса NDVI для оценки состояния растительности особо охраняемых природных территорий на примере государственного природного заповедника «Пинежский»
Применение индекса NDVI для оценки состояния растительности особо охраняемых природных территорий на примере государственного природного заповедника «Пинежский»
Аннотация
Для особо охраняемых природных территорий мониторинг состояния ландшафтов представляет приоритетную задачу. Зачастую исследования территории заповедника ограничивается определенными сложностями – ввиду отсутствия инфраструктуры, дорог, необходимости долгих пеших прогулок, которые совмещаются с экспедиционными исследованиями, наблюдениями, выполнением дополнительных работ. В настоящее время появились возможности комплексного исследования состояния ландшафтов на больших территориях благодаря доступности спутниковой информации, постоянному совершенствованию оборудования спутников – увеличению охвата территории, учитываемых спектров и т.д. В настоящей работе применен метод оценки состояния ландшафтов путем расчета нормализованного относительного вегетационного индекса (NDVI) на примере Пинежского государственного заповедника. Рассчитаны индексы для периода максимальной вегетации растений для 3-х лет, проведен сравнительный анализ состояния растительности ландшафтов, также по данным дистанционного зондирования Земли рассчитан индекс температуры земной поверхности.
1. Введение
Оценка современного состояния ландшафтов и мониторинговые наблюдения за их трансформацией под влиянием различных факторов является актуальной задачей современной экологии и управления природными ресурсами. При проведении мониторинга ландшафтов в современной науке активно используются космические снимки для расчета значений вегетационного индекса (ndvi) и температуры поверхности (lst), что позволяет проанализировать динамику изменения различных показателей на больших территориях за длительный период времени. Особый интерес представляют подобные исследования на территориях особого правового режима, где сохранение биоразнообразия и экосистемных функций является приоритетной задачей.
Объектом данного исследования является территория Пинежского заповедника, площадью 515 км2, расположенного в зоне умеренно-континентального климата в северо-таежной подзоне таежной зоны Европейской части России в пределах Архангельской области. Ландшафты Пинежского заповедника исследовались Сабуровым Д.Н.
, , Андрейчуком В.Н. , Рыковым А.М., Рыковой С.Ю. , Поповым С.Ю. , , , сотрудниками заповедника и др. В 1999 г. составлена подробная ландшафтная карта , на которой отражены различные особенности ландшафта, включая ледниковые образования с карстовыми элементами, карстово-ледниковые, карстогенные и пластово-денудационные ландшафты. Исследователями Шавриной Е.В., Малковым В.Н. проведена и обобщена работа по изучению особенностей геологического строения, рельефа и водоносности территории Пинежского заповедника.Заповедник является значимым объектом природной сохранности и имеет высокую биологическую ценность в связи с наличием уникальных ледниковых ландшафтов с элементами карста, характеризующихся высокой лесистостью (80%) и заболоченностью. Территория Пинежского заповедника располагается в Беломорско-Кулойском округе полосы северо-таежных лесов Северодвинско-Верхнеднепровской подпровинции Североевропейской таежной провинции
. Преобладающей растительной формацией заповедника являются коренные еловые леса (51,3 % от общей площади заповедника) . В меньшей степени представлены коренные сосновые леса – 9,5% от общей площади заповедника леса . На участках гарей и вырубок, а также на территориях с развитым карстом, господствуют березовые (24,6% от общей площади заповедника) и осиновые (0,9%) формации . Распределение различных типов растительности по территории заповедника имеет неоднородный характер и зависит от множества факторов – местоположения, характера подстилающих грунтов, микроклимата, степени заболоченности и дренированности территории, пожароопасности, а также уровня антропогенного влияния.Целью работы является анализ изменений нормализованного относительного вегетативного индекса растительности (NDVI) и температуры земной поверхности (LST) на территории Пинежского заповедника с помощью космических снимков Landsat 8 Level 1, разрешение которых составляет 30 м2 на пиксель и содержит набор мультиспектральных каналов, необходимых для мониторинговых наблюдений. В ходе исследования использованы выборочные космические снимки за летний период 2016, 2020, 2022 гг.
В задачи исследования входит: охарактеризовать ландшафты Пинежского заповедника, провести обработку данных космоснимков и рассчитать индексы для территории заповедника, провести сравнительный анализ изменения индекса NDVI для разных лет, определить перспективы применения для Пинежского заповедника, выявить сложности и наметить пути решения.
2. Методы и принципы исследования
Государственный природный заповедник «Пинежский» расположен в 180 км к северо-востоку от г. Архангельска на правом берегу р. Пинеги (рис. 1). Площадь заповедника составляет 51 890 га, охранной зоны – 31 587 га. Заповедник был образован в 1974 г. с целью сохранения таежных ландшафтов юго-востока Беломорско-Кулойского плато. Площадь заповедника характеризуются высокой закарстованностью территории
.
Рисунок 1 - Географическое расположение Пинежского заповедника
Примечание: maps.yandex
На ледниковых ландшафтах с карстовыми элементами водоразделы сильно заболочены, что приводит к распространению долгомошных и сфагновых еловых, сосновых и березовых лесов, а также верховых и переходных болот. Примерно половина этой территории покрыта ельниками черничными.
Карстово-ледниковый ландшафт характеризуется смешением ельников черничных и сосняков мелкотравно-черничных. В прошлом здесь часто возникали пожары, и на местах гарей теперь произрастают сосняки, березняки и лиственничные леса с различными видами трав. Растительность карстогенного ландшафта представлена березняками и ельниками аконитовыми и разнотравьем, а также лиственничными лесами с разнотравными растениями.
Пластово-денудационный ландшафт сходен с ледниковым с карстовыми элементами за счет плоской равнины, хотя его поверхность возвышается над поверхностью последнего. Здесь также наблюдаются денудационные процессы, и растительность состоит как из моренных, так и из карстовых форм рельефа. В растительном покрове преобладают ельники черничные и болота
.В 2016 г. исследователем Поповым С.Ю. были внесены изменения в схему разделения территории на ландшафты путем добавления информации по ландшафтам долины р. Сотки и склона коренного берега р. Пинеги, поскольку они имеют уникальные формы рельефа, отличные от предыдущих
. Автор статьи отмечает, что долинный ландшафт р. Сотки включает в себя пойму реки с луговой и прибрежной растительностью в низкой пойме, а также широко-травные леса в высокой пойме. Склон коренного берега р. Пинеги характеризуется смешением растительности моренных равнин, таких как ельники черничные, с растительностью карстово-ледникового ландшафта, включающей в себя ельники разнотравные, а также сосняки.При характеристике и определении ландшафтов, растительности заповедника обратимся к исследованиям
, где благодаря комплексной работе с геоботаническими данными и данными дистанционного зондирования разработана и опубликована подробная геоботаническая карта заповедника «Пинежский».В рамках настоящего исследования использовалась серия снимков со спутника Landsat 8 Level 1, полученных с помощью инструмента USGS Earth Explorer, за июнь 2016, 2020, 2022 гг. для охвата сезонных изменений растительности и температурного режима, снимки выбраны с учетом облачности и других атмосферных явлений для обеспечения максимально качественной информации.
Для получения данных о нормализованном относительном индексе растительности NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) и температуре земной поверхности – LST (Land Surface Temperature) снимки исследуемой территории были обработаны с помощью программного обеспечения QGIS 3.36.1 с последующими этапами:
Для расчёта NDVI использовались 5 (ближний инфракрасный – NIR) и 4 (красный – RED) каналы, имеющие пространственное разрешение 30 м2 на пиксель.
1. Преобразование DN (цифровое число) в SR (спектральное излучение):
ML = согласно метаданным, коэффициент мультипликативного изменения масштаба для конкретного диапазона.
Qcal = Температурный диапазон (B10, B11).
AL = исходя из метаданных, дополнительный коэффициент масштабирования для конкретной полосы частот.
2. Преобразование TOA в BT:
3. Расчет NDVI:
NDVI сильно коррелирует с Pv (доля растительности), поэтому рассчитываем по формуле:
4. Расчет коэффициента излучения ε:
Коэффициент излучения (или степень черноты) – отношение энергии теплового излучения «серого тела» согласно Закону Стефана Больцмана, к излучению «абсолютно черного тела» при той же температуре.
Для расчета коэффициента излучения использовалось следующее уравнение:
5. Температура поверхности суши (LST):
Таким образом, для каждого снимка вычислены значения NDVI и термальных индексов на основе спектральных данных, полученных с помощью различных каналов Landsat 8.
Этот подход позволяет достоверно оценить изменения в структуре и состоянии растительного покрова и температурном режиме на исследуемой территории, что имеет важное значение для понимания динамики природных процессов и принятия эффективных решений по управлению природными ресурсами.
3. Основные результаты
Анализ данных индексов LST и NDVI на различных участках Пинежского заповедника в сочетании с информацией о ландшафтной структуре и геоботанических особенностях территории, позволили отследить динамику температурного режима и состояния ландшафтов заповедника. Так, минимальные температуры поверхности земли (LST) на протяжении временных отрезков существенно различаются: от 11,8°C в июне 2016 г. до 20,3°C в июне 2022 г. Максимальные температуры также варьируются, достигая 21,7°C в 2016 г. и 34,1°C в 2022 г. (рис. 2).
Рисунок 2 - Максимальные и минимальные значения LST на исследуемой территории
Примечание: составлено по результатам исследования
В 2016 г. NDVI на территории Пинежского заповедника варьировался от -0,088 до 0,585 (рис. 3, 4).
Рисунок 3 - Распределение NDVI
Примечание: 2016; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рисунок 4 - Распределение LST
Примечание: 2016; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рисунок 5 - Распределение NDVI
Примечание: 2020; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рисунок 6 - Распределение LST
Примечание: 2020; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рисунок 7 - Распределение NDVI
Примечание: 2022; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рисунок 8 - Распределение LST
Примечание: 2022; составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Рассмотрим изменение площадей различных диапазонов NDVI по годам. Всего выделено 7 диапазонов вариаций индекса, среди которых – максимальные значения, высокие, средние, низкие, очень низкие, минимальные, отрицательные. Низкие, минимальные и отрицательные значения практически не прорисовываются на представленном масштабе, что позволяет сделать вывод о небольшом проценте их распространения за все рассматриваемые годы.
В 2016 г. (рис. 9) максимальные значения индекса (более 0,5) выявлены для растительности, обитающей по берегам ручья Котобой (правый приток р. Сотка), р. Сотка в западной части заповедника.
Рисунок 9 - Распределение значений NDVI на территории Пинежского заповедника 29 июня 2016 г
Примечание: составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
В 2020 г. (рис. 10) площади с максимальным значением NDVI (более 0,5) расширились – и определялись для тех же растительных сообществ, что и в 2016 г., а также для значительных площадей березняков, расположенных к северу от русла реки Сотка в западной части заповедника, в центральной и центрально-восточной части заповедника, к востоку от русла ручья Котобой.
Рисунок 10 - Распределение значений NDVI на территории Пинежского заповедника 19 июля 2020 г
Примечание: составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
Стоит отметить, что в 2022 г. (рис. 11) наблюдалось сокращение площадей распространения растительных сообществ с максимальным значением NDVI (более 0,5).
Рисунок 11 - Распределение значений NDVI на территории Пинежского заповедника 30 июня 2022 г
Примечание: составлено авторами с использованием данных USGS [15] и программного обеспечения QGis 3.36.1
4. Заключение
Высокие значения индекса NDVI (более 0,5) были выявлены на участках распространения березняков, что скорее всего связано с молодостью и здоровьем этих растительных формаций, высокой плотностью растительного полога, обусловленные доступностью воды и питательных веществ. Березняки – нетипичные представители таежной растительности, а результат вторичной сукцессии вследствие вырубок, гарей и высокой закарстованности пород.
Относительно низкие значения NDVI (менее 0,3) обнаружены на территориях с ельниками и сосняками, где густая хвойная растительность может ограничивать доступ солнечного света к почве, что приводит к снижению интенсивности фотосинтеза.
Повышенные значения индекса LST на участках распространения березняков и болотной растительности свидетельствуют о повышенной поверхностной температуре здесь, возможно, из-за низкого альбедо болот и более высокой теплопроводности березняков.
За выбранный период оптимальные погодные условия для вегетации растений заповедника, согласно анализу NDVI, наблюдались в 2020 г., когда были выявлены самые большие площади максимальных и высоких значений исследуемого индекса.
В целом, можно сделать вывод, что состояние растительности в различных ландшафтах заповедника в целом хорошее. Средние, низкие и минимальные значения индекса распространяются на небольшие площади, которые в данной работе из-за выбранного масштаба не отражены, и нуждаются в дополнительных исследованиях.
Наблюдаемая гетерогенность индексов NDVI и LST указывает на разнообразие микроклиматических условий и типов растительного покрова в заповеднике, что может быть обусловлено различиями в почвенном составе, влажности почвы, экспозиции склонов и другими факторами.