Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 4. С. 149-164
Анализ временной серии снимков Landsat для выявления климатически обусловленных изменений в структуре ландшафтов острова Колгуев
А.Г. Шматова
1 , Ю.А. Лощагина
1 , П.М. Глазов
1 1 Институт географии РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 12.05.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-4-149-164
Опробован метод анализа временных серий снимков Landsat для выявления климатически обусловленных ландшафтных изменений в тундровой зоне. В качестве модельной территории выбран о. Колгуев. Предложены способы решения проблем применения метода в этом регионе (облачность, гетерогенность ландшафта). Для получения статистически значимых результатов использована большая временная серия (1987–2020 гг., 12 временных срезов). Для этого опробованы критерии подбора снимков. Использованы снимки без атмосферной коррекции со съёмочных систем Landsat-5, -7, -8, сделанные в период активной вегетации. Обучающая выборка для проведения классификации снимков создавалась по полевым описаниям ландшафтов, а затем увеличивалась и корректировалась в несколько этапов. Попиксельное сравнение классифицированных изображений позволило локализовывать изменения, благодаря чему возможно дополнительно уточнять обучающую выборку, а также лучше интерпретировать результаты. Наблюдаемые в каждом пикселе изменения были обобщены для всего региона и представлены в виде графиков. На них динамика суммарной площади класса разложена на составляющие переходы из/в другие классы. Рассчитанный коэффициент достоверной аппроксимации (R2) отдельных трендов достигает 0,6. Интерпретация выявленных изменений проводилась в соответствии с ландшафтным значением классов и проверкой по более детальным снимкам. В результате на территории о. Колгуев было выявлено зарастание осоковых ложбин ивняками, пересыхание обводнённых территорий, «позеленение» мохово-лишайниковых тундр. При этом процессы деградации плоскобугристых болот на Колгуеве не выявлены, площадь открытых песков имеет слабый тренд на сокращение. Таким образом, рассмотренный метод можно рекомендовать для комплексного выявления изменений в структуре тундровых ландшафтов.
Ключевые слова: анализ временной серии, Landsat, динамика ландшафтов, изменение климата, тундра, Колгуев
Полный текстСписок литературы:
- Атлас Арктики. М.: ГУГК, 1985. 204 с.
- Белоновская Е. А., Тишков А. А., Вайсфельд М. А., Глазов П. М., Кренке-мл. А. Н., Морозова О. В., Покровская И. В., Царевская Н. Г., Тертицкий Г. М. «Позеленение» Российской Арктики и современные тренды изменения её биоты // Изв. Российской акад. наук. Сер. географ. 2016. № 3. С. 28–39. https://doi.org/10.15356/0373-2444-2016-3-28-39.
- Брушков А. В. Глобальные изменения окружающей среды, реакция криолитозоны и устойчивость инженерных сооружений // Инженерные изыскания. 2015. № 14. С. 14–26.
- Елсаков В. В. Пространственная и межгодовая неоднородность изменений растительного покрова тундровой зоны Евразии по материалам съёмки MODIS 2000–2016 гг. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 6. С. 56–72. DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-6-56-72.
- Елсаков В. В., Телятников М. Ю. Межгодовые изменения индекса NDVI на территории европейского северо-востока России и западной Сибири в условиях климатических флуктуаций последних десятилетий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2013. Т. 10. № 3. С. 260–271.
- Журавлёв В. А., Кораго Е. А., Костин Д. А. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Сер. Северо-Карско-Баренцевоморская. Лист R-39,40 — о. Колгуев – прол. Карские Ворота. Объяснительная записка. СПб.: Картогр. фабрика ВСЕГЕИ, 2014. 405 с. https://webftp.vsegei.ru/GGK1000/R-39,40/R-39-40_ObZap.pdf.
- Зинченко А. Г. Геоморфологическая схема. Масштаб 1:2 500 000 // Карта плиоцен-четвертичных образований. Лист R-39,40 (о. Колгуев – прол. Карские Ворота). СПб.: Картогр. фабрика ВСЕГЕИ, 2014. 1 л.
- Лавриненко И. А. Использование дистанционных методов при геоботаническом районировании восточно-европейских тундр // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 3. С. 269–276.
- Лавриненко И. А. Карта техногенной нарушенности растительного покрова Ненецкого автономного округа // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 2. С. 128–136. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-2-128-136.
- Лавриненко О. В., Лавриненко И. А. Растительный покров оленьих пастбищ острова Колгуев преемственность исследований и современные подходы // Тр. Международ. науч. конф., посвященной 300-летию основания БИН РАН: Ботаника: История, теория, практика. 2014. С. 124–131.
- Лавриненко И. А., Романенко Т. М., Лавриненко О. В. Геоботаническое районирование острова Колгуев // Решение актуальных проблем продовольственной безопасности крайнего севера: сб. ст. Мурманск: МАГУ, 2016. С. 101–105.
- Лупян Е. А., Савин И. Ю., Барталев С. А., Толпин В. А., Балашов И. В., Плотников Д. Е. Спутниковый сервис мониторинга состояния растительности «Вега» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 1. С. 190–198.
- Оберман Н. Г. Глобальное потепление и изменение криолитозоны Печоро-Уральского региона // Разведка и охрана недр. 2007. № 4. С. 63−68.
- Тигеев А. А., Московченко Д. В., Фахретдинов А. В. Современная динамика природной и антропогенной растительности зоны предтундровых лесов Западной Сибири по данным вегетационного индекса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 4. С. 166–177. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-4-166-177.
- Тишков А. А., Белоновская Е. А., Глазов П. М., Кренке А. Н., Титова С. В., Царевская Н. Г., Шматова А. Г. Антропогенная трансформация арктических экосистем России: подходы, методы, оценки // Арктика: экология и экономика. 2019. № 4. С. 38–51. DOI: 10.25283/2223-4594-2019-4-38-51.
- Черных Д. В., Бирюков Р. Ю., Золотов Д. В., Першин Д. К. Пространственно-временная динамика ландшафтов водосборных бассейнов алтайского региона в последние 40 лет // География и природные ресурсы. 2018. № 3. С. 104–115. DOI: 10.21782/GIPR0206-1619-2018-3(104-115).
- Beamish A., Raynolds M. K., Epstein H., Frost G. V., Macander M. J., Bergstedt H., Bartsch A., Kruse S., Miles V., Tanis C. M., Heim B., Fuchs M., Chabrillat S., Shevtsova I., Verdonen M., Wagner J. Recent trends and remaining challenges for optical remote sensing of Arctic tundra vegetation: a review and outlook // Remote Sensing of Environment. 2020. V. 246. Article 111872. https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111872.
- Bhatt U. S., Walker D. A., Raynolds M. K., Bieniek P. A., Epstein H. E. Comiso J. C., Pinzon J. E., Tucker C. J., Steele M., Ermold W., Zhang J. Changing seasonality of panarctic tundra vegetation inrelationship to climatic variables // Environmental Research Letters. 2017. V. 12. No. 5. Article 055003. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aa6b0b.
- Fu D., Su F., Wang J., Sui Y. Patterns of Arctic Tundra Greenness Based on Spatially Downscaled Solar-Induced Fluorescence // Remote Sensing. 2019. V. 11. No. 12. Article 1460. https://doi.org/10.3390/rs11121460.
- Gamm C. M., Sullivan P. F., Buchwal A., Dial R. J., Young A. B., Watts D. A., Cahoon S. M. P., Welker J. M., Post E. Declining growth of deciduous shrubs in the warming climate of continental western Greenland // J. Ecology. 2018. V. 106. P. 640–654. https://doi.org/10.1111/1365- 2745.12882.
- Heijmans M. M. P. D., Magnússon R., Lara M. J., Frost G. V., Myers-Smith I. H., van Huissteden J., Jorgenson M. T., Fedorov A. N., Epstein H. E., Lawrence D. M., Limpens J. Tundra Vegetation Change and Impacts on Permafrost // Nature Reviews Earth and Environment. 2022. V. 3. P. 68–84. https://doi.org/10.1038/s43017-021-00233-0.
- Lara M. J., Nitze I., Grosse G., Martin P., McGuire A. D. Reduced arctic tundra productivity linked with landform and climate change interactions // Scientific Reports. 2018. V. 8. Article 2345. https://doi.org/10.1038/s41598-018-20692-8.
- Lavrinenko O. V., Lavrinenko I. A. Twenty-one year dynamics of vegetation from long-term plots in East European tundra // Environmental Dynamics and Global Climate Change. 2022. V. 13. No. 2. P. 70–103. DOI: 10.18822/edgcc109513.
- Lavrinenko O. V., Tyusov G. A., Petrovskii V. V. Impact of climate warming on floristic diversity of the East European tundra // Environmental Dynamics and Global Climate Change. 2022. V. 13. No. 1. P. 25–34. DOI: 10.18822/edgcc101643.
- Liljedahl A. K., Boike J., Daanen R. P., Fedorov A. N., Frost G. V., Grosse G., Hinzman L. D., Iijma Y., Jorgenson J. C., Matveyeva N., Necsoiu M., Raynolds M. K., Romanovsky V. E., Schulla J., Tape K. D., Walker D. A., Wilson C. J., Yabuki H., Zona D. Pan-arctic ice-wedge degradation in warming permafrost and its influence on tundra hydrology // Nature Geoscience. 2016. V. 9. P. 312–318. https://doi.org/10.1038/ngeo2674.
- Magnusson R. I., Limpens J., Kleijn D., Huissteden K., Maximov T. C., Lobry S., Heijmans M. M. P. D. Shrub decline and expansion of wetland vegetation revealed by very high resolution land cover change detection in the Siberian lowland tundra // Science of the Total Environment. 2021. V. 782. Article 146877. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146877.
- Mortey E. M., Annor T., Arnault J., Inoussa M. M., Madougou S., Kunstmann H., Nyantakyi E. K. Interactions between Climate and Land Cover Change over West Africa // Land. 2023. V. 1. Article 355. https://doi.org/10.3390/land12020355.
- Myers-Smith I. H., Kerby J. T., Phoenix G. K., Bjerke J. W., Epstein H. E., Assmann J. J., John C., Andreu-Hayles L., Angers-Blondin S., Beck P. S., Berner L. T., Bhatt U. S., Bjorkman A. D., Blok D., Bryn A., Christiansen C. T., Cornelissen J. H. C., Cunliffe A. M., Elmendorf S. C., Forbes B. C., Goetz S. J., Hollister R. D., de Jong R., Loranty M. M., Macias-Fauria M., Maseyk K., Normand S., Olofsson J., Parker T. C., Parmentier F. J. W., Post E., Schaepman-Strub G., Stordal F., Sullivan P. F., Thomas H. J., Tommervik H., Treharne R., Tweedie C. E., Walker D. A., Wilmking M., Wipf S. Complexity revealed in the greening of the Arctic // Nature Climate Change. 2020. V. 10. P. 106–117. https://doi.org/10.1038/s41558-019-0688-1.
- Olvmo M., Holmer B., Thorsson S., Reese H., Lindberg F. Sub-arctic palsa degradation and the role of climatic drivers in the largest coherent palsa mire complex in Sweden (Vissátvuopmi), 1955–2016 // Scientific Reports. 2020. V. 10. Article 8937. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65719-1.
- Phoenix G. K., Bjerke J. W. Arctic browning: Extreme events and trends reversing arctic greening // Global Change Biology. 2016. No. 22. P. 2960–2962. DOI: 10.1111/gcb.13261.
- Serra P., Pons X., Saurí D. Post-classification change detection with data from different sensors: some accuracy considerations // Intern. J. Remote Sensing. 2003. V. 24. P. 3311–3340. DOI: 10.1080/0143116021000021189.
- Shevtsova I., Heim B., Kruse S., Schroeder J., Troeva E., Pestryakova L. A., Zakharov E. S., Herzschuh U. Strong shrub expansion in tundra-taiga, tree infilling in taigaand stable tundra in central Chukotka (north-eastern Siberia) between 2000 and 2017 // Environmental Research Letters. 2020. V. 15. Article 085006. https://doi.org/10.1088/1748-9326/ab9059.