Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2025. Т. 22. № 3. С. 207-221
Метод картографирования сезонной динамики площадей открытых песков и дефлированных территорий на основе спутниковых данных высокого разрешения и машинного обучения
С.С. Шинкаренко
1 , С.А. Барталев
1 , А.Б. Биарсланов
2 , В.С. Полтарин
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
2 Дагестанский федеральный исследовательский центр РАН, Махачкала, Россия
Одобрена к печати: 05.05.2025
DOI: 10.21046/2070-7401-2025-22-3-207-221
Рост площадей открытых песков и дефлированных территорий в последние годы стал существенной проблемой на юго-востоке европейской части России. Деградация растительного покрова приводит к интенсификации дефляционных процессов вплоть до катастрофических пыльных бурь, результатом которых становится ещё больший рост площадей открытых песков. В этой связи спутниковый мониторинг сезонных и многолетних изменений площадей дефлированных территорий, лишённых растительного покрова, очень актуален. Автоматизированные методы классификации спутниковых изображений требуют проведения трудоёмкой процедуры создания опорной выборки на каждую дату съёмки, а экспертное дешифрирование характеризуется ещё большими трудозатратами. Решением может быть использование универсальных экспертных пороговых значений для вегетационных индексов и коэффициента спектральной яркости (КСЯ). В настоящем исследовании предложен подход для формирования опорной выборки на основе экспертного порога, который был обоснован с использованием аэросъёмки беспилотным летательным аппаратом. Установлено, что наиболее тесной связью с долей площади открытых песков в пикселе характеризуется КСЯ в красном диапазоне и NDVI (англ. Normalized Difference Vegetation Index). Предложенный подход позволяет получать карты открытых песков и дефлированных территорий трижды в год на основе трёхмесячных композитных изображений Sentinel-2 пространственного разрешения 10 м или более часто по данным более высокого временного разрешения. Проведённая верификация результатов показала применимость метода для картографирования сезонной динамики площадей открытых песков и дефлированных территорий в Северо-Западном Прикаспии.
Ключевые слова: спутниковый мониторинг, дистанционное зондирование, опустынивание, дефляция, бустинг
Полный текстСписок литературы:
- Биарсланов А. Б., Шинкаренко С. С., Гаджиев И. Р. Картографирование и анализ сезонной динамики площадей опустынивания на севере Дагестана по ежемесячным композитам Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 1. С. 160–175. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-1-160-175.
- Гасанова З. У., Джалалова М. И., Загидова Р. М., Муратчаева П. М.-С., Желновакова В. А. Почвенное разнообразие и продуктивность растительных сообществ Западного Прикаспия // Тр. Ин-та геологии Дагестанского науч. центра РАН. 2014. № 63. С. 70–72.
- Дорошенко В. В. Оценка ежемесячной динамики площадей открытых песков на востоке Ставропольского края в 2023 г. // Геодезия и картография. 2024. Т. 85. № 4. С. 10–19. DOI: 10.22389/0016-7126-2024-1006-4-10-19.
- Дорошенко В. В., Мелихова А. В. Многолетняя динамика площадей открытых песков в Астраханском Заволжье по данным дистанционного зондирования // Изв. Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высш. проф. образование. 2024. № 1(73). С. 135–143. DOI: 10.32786/2071-9485-2024-01-14.
- Кашницкий А. В., Бурцев М. А., Прошин А. А. Технология создания безоблачных композитных изображений по данным спутников серии Sentinel-2 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 76–85. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-5-76-85.
- 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.
- Полтарин В. С., Шинкаренко С. С. Сравнительный анализ методов машинного обучения при картографировании открытых песков и дефлированных пастбищ по спутниковым данным Sentinel-2 // Изв. высш. учеб. заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2024. Т. 68. № 4. С. 17–28. DOI: 10.30533/GiA-2024-028.
- Титкова Т. Б., Золотокрылин А. Н. Мониторинг подверженных опустыниванию земель Республики Калмыкия // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 130–141. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-130-141.
- Шинкаренко С. С. Изменение спектрально-отражательных характеристик зональных ландшафтов Северного Прикаспия при пирогенном воздействии // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 192–206. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-192-206.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Последствия пыльных бурь на юге европейской части России в сентябре – октябре 2020 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 7. С. 270–275. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-7-270-275.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Спутниковые наблюдения пыльных бурь на юге России в 2022 году // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 6. С. 293–300. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-6-293-300.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Картографирование соровых понижений и солончаков в Северном Прикаспии на основе многолетних данных Landsat // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 153–165. DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-153-165.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Анализ взаимосвязи структурных и спектрально-отражательных характеристик растительности аридных пастбищных ландшафтов // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 3. С. 171–187. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-3-171-187.
- Шинкаренко С. С., Барталев С. А., Биарсланов А. Б. Изменения площадей открытых песков и дефлированных пастбищ на юго-востоке европейской части России в 2023 году // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 3. С. 321–330. DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-3-321-330.
- Huete A. R. A soil-adjusted vegetation index (SAVI) // Remote Sensing of Environment. 1988. V. 25. No. 3. P. 295–309. DOI: 10.1016/0034-4257(88)90106-X.
- Huete A., Didan K., Miura T. et al. Overview of the radiometric and biophysical performance of the MODIS vegetation indices // Remote Sensing of Environment. 2002. V. 83. No. 1–2. P. 195–213. DOI: 10.1016/S0034-4257(02)00096-2.
- Kimura R., Liu J., Ganzorig U., Moriyama M. Development of a simple observation system to monitor regional wind erosion // Remote Sensing. 2024. V. 16. No. 17. Article 3331. DOI: 10.3390/rs16173331.
- Kulik K. N., Rulev A. S., Yuferev V. G. Geoinformation analysis of desertification dynamics in the territory of Astrakhan oblast // Arid Ecosystems. 2015. V. 5. No. 3. P. 134–141. DOI: 10.1134/S2079096115030087.
- Kulik K. N., Petrov V. I., Rulev A. S. et al. On the 30th anniversary of the “General Plan to Combat Desertification of Black Lands and Kizlyar Pastures” // Arid Ecosystems. 2018. V. 8. No. 1. P. 1–6. DOI: 10.1134/S2079096118010067.
- Kulik K. N., Petrov V. I., Yuferev V. G. et al. Geoinformational analysis of desertification of the Northwestern Caspian // Arid Ecosystems. 2020. V. 10. No. 2. P. 98–105. DOI: 10.1134/S2079096120020080.
- 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.
- Marzouki A., Dridri A. Normalized Difference Enhanced Sand Index for desert sand dunes detection using Sentinel-2 and Landsat 8 OLI data, application to the north of Figuig, Morocco // J. Arid Environments. 2022. V. 198. Article 104693. DOI: 10.1016/j.jaridenv.2021.104693.
- Qi J., Chehboinu A., Huete A. R. et al. A modified soil adjusted vegetation index // Remote Sensing of Environment. 1994. V. 48. No. 2. P. 119–126. DOI: 10.1016/0034-4257(94)90134-1.
- Sahar A. A., Rasheed M. J., Uaid D. A. A.-H., Jasim A. A. Mapping sandy areas and their changes using remote sensing. A case study at north-east Al-Muthanna province, south of Iraq // Revista de Teledetección. 2021. V. 58. P. 39–52. DOI: 10.4995/raet.2021.13622.
- Secu C. V., Stoleriu C. C., Lesenciuc C. D., Ursu A. Normalized Sand Index for identification of bare sand areas in temperate climates using Landsat images, application to the south of Romania // Remote Sensing. 2022. V. 14. No. 15. Article 3802. DOI: 10.3390/rs14153802.
- Shinkarenko S. S., Vypritskiy A. A., Vasilchenko A. A., Berdengalieva A. N. Analysis of anthropogenic influence on desertification processes in the Northern Caspian Region according to satellite data // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2023. V. 59. No. 9. P. 1115–1125. DOI: 10.1134/s0001433823090177.
- Xu D., Kang X., Qiu D. et al. Quantitative assessment of desertification using Landsat data on a regional scale — A case study in the Ordos Plateau, China // Sensors. 2009. V. 9. No. 3. P. 1738–1753. DOI: 10.3390/s90301738.
- Yuferev V. G., Tkachenko N. A., Sinelnikova K. P. Spectral characteristics of desertified black-earth pastures // Arid Ecosystems. 2022. V. 12. No. 1. P. 54–60. DOI: 10.1134/S2079096122010152.
- Yuferev V. G., Silova V. A., Tkachenko N. A. Remote monitoring of desertification in Kalmykia // Arid Ecosystems. 2023. V. 13. No. 1. P. 39–44. DOI: 10.1134/S2079096123010171.
- Zolotokrylin A. N., Titkova T. B. A new approach to the monitoring of desertification centers // Arid Ecosystems. 2011. V. 1. No. 3. P. 125–140. DOI: 10.1134/S2079096111030127.