Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 1. С. 148-161
Анализ сходимости временных серий спутниковых съёмок различного пространственного разрешения для региона Большеземельской тундры
1 Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия
Одобрена к печати: 14.01.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-1-148-161
Для участка территории Большеземельской тундры (порядка 102 тыс. км2) выполнен анализ сходимости усреднённых максимальных величин и краткосрочных трендов межгодовых изменений индекса NDVI (англ. Normalized Difference Vegetation Index) по временным спутниковым съёмкам серий GIMMS (3G) (англ. Global Inventory Modeling and Mapping Studies), SPOT-VGT (S10) и MODIS (MOD13Q1 коллекция 6.1) (англ. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) по перекрывающемуся временному периоду 2000–2003 гг. Сравниваемые спутниковые изображения имели различия в пространственном и спектральном разрешении, временном шаге композитов. Сопоставление проводили путём генерализации изображений большей детальности до снимка с меньшим пространственным разрешением. Для усреднённых межгодовых максимальных значений NDVI рассмотренные съёмки демонстрируют низкий уровень сходимости. Съёмки серий GIMMS (3G) существенно завышали индекс (в среднем на 10–15 % по отношению к MODIS и на 20–30 % к SPOT-VGT), в парах сравнения наблюдали низкие коэффициенты корреляции (r). При увеличении пространственного разрешения и сужении спектральных диапазонов наблюдали рост степени согласованности результатов по распределению средних величин NDVI. Несмотря на завышение показателя по MODIS в сравнении со SPOT-VGT, между съёмками отмечена наиболее высокая корреляция (r = 0,76 при p = 0,05). Самые интенсивные изменения за период перекрывающихся лет наблюдений по показателю межгодового линейного тренда изменений (β), рассчитанному для максимальных годовых значений индекса NDVI, наблюдали на съёмках наибольшей детальности MODIS. Снижение детальности изображений сопряжено с уменьшением показателя β. На всех снимках отмечены изменения, связанные с ростом продуктивности в области южного экотона мелкоерниковых кустарниковых тундр. Сравниваемые пары изображений имели низкие коэффициенты корреляции по показателю β. Наиболее высокие показатели наблюдали между MODIS и SPOT-VGT (r = 0,40 при p = 0,05). Для временных серий MODIS отмечены наилучшие возможности выявления трендов временных изменений растительного покрова.
Ключевые слова: временные композиты спутниковых изображений, NDVI, изменения растительности, Большеземельская тундра
Полный текстСписок литературы:
- Анисимов О. А., Жильцова Е. Л., Разживин В. Ю. Моделирование биопродуктивности в арктической зоне России с использованием спутниковых наблюдений // Исслед. Земли из космоса. 2015. № 3. С. 60–70. DOI: 10.7868/S0205961415030021.
- Барталев С. А., Егоров В. А., Ершов Д. В., Исаев А. С., Лупян Е. А., Плотников Д. Е., Уваров И. А. Спутниковое картографирование растительного покрова России по данным спектрорадиометра MODIS // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 285–302.
- Белоновская Е. А., Тишков А. А., Вайсфельд М. А. и др. «Позеленение» Российской Арктики и современные тренды изменения ее биоты // Изв. Российской акад. наук. Сер. геогр. 2016. № 3. С. 28–39. DOI: 10.15356/0373-2444-2016-3-28-39.
- 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., Щанов В. М. Современные изменения растительного покрова пастбищ северного оленя Тиманской тундры по результатам анализа данных спутниковой съёмки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 2. С. 128–142. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-2-128-142.
- Елсаков В. В., Кулюгина Е. Е., Щанов В. М. Тренды изменений растительного покрова Югорского полуострова последнего десятилетия: сопоставление результатов дистанционных и полевых исследований // Геоботаническое картографирование. 2013. С. 93–111. DOI: 10.31111/geobotmap/2013.93.
- Зональные (на равнинах) и поясные (в горах) типы растительности. М 1:12 000 000 // Карта растительности европейской части СССР. М 1:2 500 000 / под ред. Т. И. Исаченко, Е. М. Лавренко. ГУГК при СМ СССР. М., 1979.
- Симонова К. И. Анализ влияния снеготаяния на межгодовую и сезонную динамику растительности в дельте реки Лены // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 205–216. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-205-216.
- Шерстюков А. Б. Изменения климата и их последствия в зоне многолетней мерзлоты России. Обнинск: ГУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2009. 127 с.
- Berner L. T., Massey R., Jantz P. et al. Summer warming explains widespread but not uniform greening in the Arctic tundra biome // Nature Communications. 2020. No. 11. Article 4621. 12 p. DOI: 10.1038/s41467-020-18479-5.
- Beurs K. M., Henebry G. M. Northern annular mode effects on the land surface phenologies of Northern Eurasia // J. Climate. 2008. V. 21. P. 4257–4279. DOI: 10.1175/2008JCLI2074.1.
- Beurs K. M., Henebry G. M. A land surface phenology assessment of the northern polar regions using MODIS reflectance time series // Canadian J. Remote Sensing. 2010. V. 36. P. 87–110. DOI: 10.5589/m10-021.
- Blok D., Schaepman-Strub G., Bartholomeus H. et al. The response of Arctic vegetation to the summer climate: relation between shrub cover, NDVI, surface albedo and temperature // Environmental Research Letters. 2011. V. 6. No. 3. Article 035502. 9 p. DOI: 10.1088/1748-9326/6/3/035502.
- Detsch F., Otte I., Appelhans T., Nauss T. A comparative study of cross-product NDVI dynamics in the Kilimanjaro region — a matter of sensor, degradation calibration, and significance // Remote Sensing. 2016. V. 8. No. 2. Article 159. 18 p. DOI: 10.3390/rs8020159.
- Forbes B. C., Macias-Fauria M., Zetterberg P. I. Russian Arctic warming and ‘greening’ are closely tracked by tundra shrub willows // Global Change Biology. 2010. V. 16. No. 5. P. 1542–1554. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2009.02047.
- Fraser R. H., Lantz T. C., Olthof I. et al. Warming-induced shrub expansion and lichen decline in the western Canadian Arctic // Ecosystems. 2014. V. 17. No. 7. P. 1151–1168. DOI: 10.1007/s10021-014-9783-3.
- Frost G. V., Bhatt U. B., Macander M. J. et al. Is Alaska’s Yukon–Kuskokwim Delta greening or browning? Resolving mixed signals of tundra vegetation dynamics and drivers in the maritime Arctic // Earth interactions. 2021. V. 25. P. 76–93. DOI: 10.1175/EI-D-20-0025.1.
- Gallo K., Ji L., Reed B. et al. Multi-platform comparisons of MODIS and AVHRR normalized difference vegetation index data // Remote Sensing of Environment. 2005. V. 99. Iss. 3. P. 221–231. DOI: 10.1016/j.rse.2005.08.014.
- Goetz S. J., Bunn A. G., Fiske G. J., Houghton R. A. Satellite-observed photosynthetic trends across boreal North America associated with climate and fire disturbance // Proc. National Academy of Sciences. 2005. V. 102. No. 38. P. 13521–13525. DOI: 10.1073/pnas.0506179102.
- Guay K. C., Beck P. S.A., Berner L. T. et al. Vegetation productivity patterns at high northern latitudes: a multi-sensor satellite data assessment // Global Change Biology. 2014. V. 20. No. 10. P. 3147–3158. DOI: 10.1111/gcb.12647.
- Hutich C., Herold M., Schmullius C. et al. Indicators of Northern Eurasia’s land-cover change trends from SPOT-Vegetation time-series analysis 1998–2005 // Intern. J. Remote Sensing. 2007. V. 28. No. 18. P. 4199–4206. DOI: 10.1080/01431160701442054.
- Jia G. J., Epstein H. E., Walker D. A. Greening of Arctic Alaska, 1981–2001 // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. No. 20. Article 2067. 4 p. DOI: 10.1029/2003GL018268.
- Li M., Cao S., Zhu Z. et al. Spatiotemporally consistent global dataset of the GIMMS Normalized Difference Vegetation Index (PKU GIMMS NDVI) from 1982 to 2022 // Earth System Science Data. 2023. V. 15. P. 4181–4203. DOI: 10.5194/essd-15-4181-2023.
- Lin X., Niu J., Berndtsson R. et al. NDVI dynamics and its response to climate change and reforestation in northern China // Remote Sensing. 2020. V. 12. No. 24. Article 4138. 16 p. DOI: 10.3390/rs12244138.
- Liu C., Huang H., Liu C. et al. Comparative evaluation of vegetation greenness trends over circumpolar Arctic tundra using multi-sensors satellite datasets // Intern. J. Digital Earth. 2024. V. 17. No. 1. Article 2328823. 20 p. DOI: 10.1080/17538947.2024.2328823.
- Picard G., Quegan S., Delbart N. et al. Bud-burst modelling in Siberia and its impact on quantifying the carbon budget // Global Change Biology. 2005. V. 11. No. 12. P. 2164–2176. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2005.01055.x.
- Raynolds M. K., Walker D. A., Maier H. A. NDVI patterns and phytomass distribution in the circumpolar Arctic // Remote Sensing of Environment. 2006. V. 102. Iss. 3–4. P. 271–281. DOI: 10.1016/j.rse.2006.02.016.
- Raynolds M. K., Walker D. A., Epstein H. E. et al. A new estimate of tundra-biome phytomass from trans-Arctic field data and AVHRR NDVI // Remote Sensing Letters. 2012. V. 3. No. 5. P. 403–411. DOI: 10.1080/01431161.2011.609188.
- Robin J., Dubayah R., Sparrow E., Levine E. Monitoring start of season in Alaska with GLOBE, AVHRR, and MODIS data // J. Geophysical Research. Biogeosciences. 2007. V. 113. Article G01017. 10 p. DOI: 10.1029/2007JG000407.
- Sakai H., Suzuki R., Kondoh A. Recent signal of vegetation change in Siberia using satellite data // J. Japan Soc. Hydrology and Water Resources. 2008. V. 21. P. 50–56. DOI: 10.3178/jjshwr.21.50.
- Tucker C. J., Pinzon J. E., Brown M. E. et al. Anextended AVHRR 8-km NDVI dataset compatible with MODIS and SPOT vegetation NDVI data // Intern. J. Remote Sensing. 2005. V. 26. No. 20. P. 4485–4498. DOI: 10.1080/01431160500168686.
- Walker D. A., Epstein H. E., Jia J. G. et al. Phytomass, LAI, and NDVI in northern Alaska: Relationships to summer warmth, soil pH, plant functional types, and extrapolation to the circumpolar Arctic // J. Geophysical Research. Atmospheres. 2003. V. 108. Iss. D2. Article 8169. DOI: 10.1029/2001JD000986.
- Walker D. A., Raynolds M. K., Fred J. A. The Circumpolar Arctic vegetation map // J. Vegetation Science. 2005. V. 16. P. 267–282. DOI: 10.1111/j.1654-1103.2005.tb02365.x.
- White M. A., Beurs K. M., Didan K. Intercomparison, interpretation, and assessment of spring phenology in North America estimated from remote sensing for 1982–2006 // Global Change Biology. 2009. V. 15. No. 10. P. 2335–2359. DOI: 10.1111/j.1365-2486.2009.01910.x.
- Zeng H., Jia G., Epstein H. Recent changes in phenology over the northern high latitudes detected from multi-satellite data // Environmental Research Letters. 2011. V. 6. No. 4. Article 045508. 11 p. DOI: 10.1088/1748-9326/6/4/045508.
- Zhao J., Ding Y., Yang J. Suitability analysis and evaluation of GIMMS NDVI3g product in plateau region // IOP Conf. Ser.: Earth and Environmental Science. 3rd Intern. Forum on Geoscience and Oceanography. 2021. V. 734. Article 012007. 7 p. DOI: 10.1088/1755-1315/734/1/012007.