Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 6. С. 200-212
Развитие методов картографирования болотных комплексов Западной Сибири на основе временных рядов данных дистанционного зондирования и машинного обучения
С.С. Шинкаренко
1 , С.А. Барталев
1 , Е.А. Дюкарев
2, 3 , Е.А. Головацкая
2 , И.А. Сайгин
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск, Россия
3 Югорский государственный университет, Ханты-Мансийск, Россия
Одобрена к печати: 29.10.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-6-200-212
Представлены результаты картографирования типов болотных комплексов Томской области на основе очищенных от влияния облаков временных рядов ежедневных данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) спутниковой системы MODIS (англ. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), сформированных с их использованием композитных изображений земной поверхности с наличием снежного покрова и применением ансамблевого метода машинного обучения Random Forest. Также в качестве признаков использовались цифровые модели рельефа и местности GTOPO30, ASTER GDEM (англ. Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model) и FABDEM (англ. Forest And Buildings removed Copernicus Digital Elevation Model). Разработанная типология болот включает три типа болотных микроландшафтов с древесным ярусом (сосново-кустарничково-сфагновое болото — рям, рямово-мочажинный комплекс, древесное кустарничково-мохово-разнотравное болото — согра), один комплексный (грядово-мочажинные и грядово-озерковые комплексы), два открытых (травяно-сфагновая топь, осоково-гипновое болото) и внутриболотные озёра. Общая точность классификации составила 0,96, для отдельных типов болотных комплексов полнота их выделения варьирует в диапазоне от 0,66 до 0,99. Всего в Томской области болотные комплексы идентифицированы на площади 13,7 млн га, в том числе 9,4 млн га из них преимущественно открытые. Эта оценка хорошо согласуется со статистическими данными о площади болот региона, составляющей 9,2 млн га. Показана высокая информативность при классификации типов болотных комплексов цифровых моделей рельефа различного пространственного разрешения, данных ДЗЗ в периоды наличия и схода снежного покрова, начала и окончания вегетации растительности.
Ключевые слова: водно-болотные угодья, болота, Западная Сибирь, MODIS, машинное обучение
Полный текстСписок литературы:
- Барталев С. А., Егоров В. А., Жарко В. О., Лупян Е. А., Плотников Д. Е., Хвостиков С. А., Шабанов Н. В. Спутниковое картографирование растительного покрова России. М.: ИКИ РАН, 2016. 208 c.
- Барталев С. А., Хвостиков С. А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023666251 Российская Федерация. FORS-MachLearn № 2023664950. Заявл. 14.07.2023. Опубл. 27.07.2023. ИКИ РАН.
- Вомперский С. Э., Сирин А. А., Цыганова О. П., Валяева Н. А., Майков Д. А. Болота и заболоченные земли России: попытка анализа пространственного распределения и разнообразия // Изв. РАН. Сер. геогр. 2005. № 5. С. 39–50.
- Евсеева Н. С., Синюткина А. А., Харанжевская Ю. А., Воистинова Е. С., Ромашова Т. В., Хромых В. В., Земцов В. А., Сорокин И. Б., Гузова Е. Н., Сиротина Е. А., Жилина Т. Н., Квасникова З. Н., Хромых О. В., Хромых В. С. Ландшафты болот Томской области. Томск: Изд-во НТЛ, 2012. 399 с.
- Ильина И. С., Лапшина Е. И., Махно В. Д., Романова Е. А. Принципы составления обзорной «Карты растительности Западно-Сибирской равнины» // Геоботаническое картографирование. 1977. № 1977. С. 41–58. DOI: 10.31111/geobotmap/1977.41.
- Ильясов Д. В., Сирин А. А., Макарова Л. Ю., Букин А. В., Кораблина Н. Е. ГИС-картографирование торфяных болот и антропогенно измененных торфяников Рязанской области // Вестн. Рязанского гос. агротехнол. ун-та им. П. А. Костычева. 2019. № 1 (41). С. 30–38.
- Инишева Л. И., Архипов В. С., Маслов С. Г., Михантьева Л. С. Торфяные ресурсы Томской области и их использование. Новосибирск: СО РАСХН, 1995. 88 с.
- Карта торфяных месторождений Западно-Сибирской равнины масштаба 1:1 000 000 / отв. ред. В. Д. Марков. М.: Трест «Геолторфразведка», 1971.
- Карта торфяных месторождений Западной Сибири масштаба 1:1 000 000: Объяснительная записка. Новосибирск: Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2000. 33 с.
- Лисс О. Л., Березина Н. А. Болота Западно-Сибирской равнины. М.: Наука, 1981. 205 с.
- Лупян Е. А., Прошин А. А., Бурцев М. А., Балашов И. В., Барталев С. А., Ефремов В. Ю., Кашницкий А. В., Мазуров А. А., Матвеев А. М., Суднева О. А., Сычугов И. Г., Толпин В. А., Уваров И. А. Центр коллективного пользования системами архивации, обработки и анализа спутниковых данных ИКИ РАН для решения задач изучения и мониторинга окружающей среды // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2015. Т. 12. № 5. С. 263–284.
- Медведева М. А., Возбранная А. Е., Сирин А. А., Маслов А. А. Возможности различных мультиспектральных космических данных для мониторинга неиспользуемых пожароопасных торфяников и эффективности их обводнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 150–159. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-2-150-159.
- Миклашевич Т. С., Барталев С. А., Плотников Д. Е. Интерполяционный алгоритм восстановления длинных временных рядов данных спутниковых наблюдений растительного покрова // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 143–154. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-6-143-154.
- Романова Е. А., Быбина Р. Т., Голицина Е. Ф., Иванова Г. М., Усова Л. И., Трушникова Л. Г. Типологическая карта болот Западно-Сибирской равнины. Л.: ГУГК, 1977. 500 с.
- Синюткина А. А. Ландшафтное картографирование болот Томской области // Вестн. Воронежского гос. ун-та. Сер.: География. Геоэкология. 2017. № 2. С. 21–28.
- Сирин А. А., Маслов А. А., Валяева Н. А., Цыганова О. П., Глухова Т. В. Картографирование торфяных болот Московской области по данным космической съемки высокого разрешения // Лесоведение. 2014. № 5. С. 65–71.
- Терентьева И. Е., Филиппов И. В., Сабреков А. Ф. и др. Картографирование таежных болот Западной Сибири на основе дистанционной информации // Изв. РАН. Сер. геогр. 2020. Т. 84. № 6. С. 920–930. DOI: 10.31857/S2587556620060102.
- Усова Л. И. Практическое пособие по ландшафтному дешифрированию аэрофотоснимков различных типов болот Западной Сибири. СПб.: Нестор-История, 2009. 80 с.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Применение данных дистанционного зондирования для широкомасштабного мониторинга водно-болотных угодий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 6. С. 9–34. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-6-9-34.
- Юрковская Т. Г. Картографирование растительности болотных систем // Геоботаническое картографирование. 1988. С. 13–28. DOI: 10.31111/geobotmap/1988.13.
- Artz R. R. E., Johnson S., Bruneau P. et al. The potential for modelling peatland habitat condition in Scotland using long-term MODIS data // Science of the Total Environment. 2019. V. 660. P. 429–442. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.327.
- Dyukarev E. A., Alekseeva M. N., Golovatskaya E. A. Study of wetland ecosystem vegetation using satellite data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2017. V. 53. P. 1029–1041. DOI: 10.1134/S0001433817090092.
- Golovatskaya E. A., Veretennikova E. E., Dyukarev E. A. Greenhouse gas fluxes and carbon sequestration in the oligotrophic peat soils of southern taiga in Western Siberia // Eurasian Soil Science. 2024. V. 57. No. 2. P. 210–219. DOI: 10.1134/S1064229323602871.
- Hugelius G., Loisel J., Chadburn S. et al. Large stocks of peatland carbon and nitrogen are vulnerable to permafrost thaw // PNAS. 2020. V. 117. No. 34. P. 20438–20446. DOI: 10.1073/pnas.1916387117.
- Karlson M., Bastviken D. Multi-source mapping of peatland types using Sentinel-1, Sentinel-2, and terrain derivatives — a comparison between five high-latitude landscapes // J. Geophysical Research: Biogeosciences. 2022. V. 128. Iss. 4. Article e2022JG007195. DOI: 10.1029/2022JG007195.
- Loupian E., Burtsev M., Proshin A. et al. Usage experience and capabilities of the VEGA-Science system // Remote Sensing. 2022. V. 14. No. 1. Article 77. DOI: 10.3390/rs14010077.
- Melton J. R., Chan E., Millard K. et al. A map of global peatland extent created using machine learning (Peat-ML) // Geoscientific Model Development. 2022. V. 15. Iss. 12. P. 4709–4738. DOI: 10.5194/gmd-15-4709-2022.
- Minasny B., Berglund O., Connolly J. et al. Digital mapping of peatlands — a critical review // Earth-Science Reviews. 2019. V. 196. Article 102870. DOI: 10.1016/j.earscirev.2019.05.014.
- Pflugmacher D., Krankina O. N., Cohen W. B. Satellite-based peatland mapping: Potential of the MODIS sensor // Global and Planetary Change. 2007. V. 56. P. 248–257. DOI: 10.1016/j.gloplacha.2006.07.019.
- Sheng Y., Smith L. C., Glen M. et al. A high-resolution GIS-based inventory of the west Siberian peat carbon pool // Global Biogeochemical cycles. 2004. V. 18. Article GB3004. DOI: 10.1029/2003GB002190.
- Terent’eva I. E., Sabrekov A. F., Glagolev M. V. et al. A new map of wetlands in the southern taiga of the West Siberia for assessing the emission of methane and carbon dioxide // Water Resources. 2017. V. 44. No. 2. P. 297–307. DOI: 10.1134/S0097807817020154.
- Vomperskii S. E., Sirin A. A., Sal’nikov A. A. et al. Estimation of forest cover extent over peatlands and paludified shallow-peat lands in Russia // Contemporary Problems of Ecology. 2011. V. 4. No. 7. P. 734–741. DOI: 10.1134/S1995425511070058.
- Xu J., Morris P. J., Liu J., Holden J. PEATMAP: Refining estimates of global peatland distribution based on a meta-analysis // Catena. 2018. V. 160. P. 134–140. DOI: 10.1016/j.catena.2017.09.010.