Использование спутниковых данных для мониторинга глобальных изменений в области обезлесения и землепользования

Спутниковые технологии коренным образом изменили то, как ученые, правительства и организации наблюдают и управляют лесами и ландшафтами Земли. За последние пять десятилетий созвездия спутников наблюдения Земли предоставили беспрецедентный, повторяемый и синоптический вид поверхности планеты, что позволяет точно выявлять изменения обезлесения и землепользования в местном, региональном и глобальном масштабах. Поскольку леса продолжают очищаться для сельского хозяйства, лесозаготовок, добычи полезных ископаемых и расширения городов, обеспечивая почти 10-15% глобальных антропогенных выбросов парниковых газов, спутниковые данные стали незаменимым инструментом для управления окружающей средой, учета углерода и устойчивого развития. В этой статье исследуется критическая роль спутникового дистанционного зондирования в отслеживании глобальных изменений в обезлесении и землепользовании, технологий, лежащих в основе этого, его приложений, текущих проблем и будущих инноваций, которые обещают еще большую точность и своевременность.

Почему спутниковые данные необходимы для мониторинга изменений в лесном хозяйстве и землепользовании

Традиционные наземные исследования трудоемки, трудоемки и ограничены в пространственном охвате. Напротив, спутники обеспечивают последовательные, частые и стено-стенные наблюдения всей поверхности Земли. Эта способность позволяет обнаруживать тонкие изменения растительного покрова с течением времени - изменения, которые могут остаться незамеченными местными наблюдателями или ежегодными отчетами. Архивы спутниковых изображений, простирающиеся до 1970-х годов (например, серии Landsat), также позволяют исторические исходные линии, которые необходимы для количественной оценки тенденций и приписывания факторов изменения.

Спутниковый мониторинг предлагает три фундаментальных преимущества: синоптический охват (большие области, наблюдаемые одновременно), повторяемость (регулярные повторные посещения в течение нескольких дней до нескольких недель) и многоспектральные возможности (чувствование за пределами видимого света). Эти черты позволяют аналитикам различать типы лесов, обнаруживать выборочные рубки, выявлять пожарные рубцы и картировать расширение сельского хозяйства с высокой точностью. Кроме того, спутниковые данные лежат в основе международно признанных систем отчетности, таких как Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций об изменении климата (РКИКООН) программа REDD+, которая требует от стран мониторинга запасов углерода в лесах и выбросов.

Дополняющие наземные измерения

Хотя спутниковые данные обеспечивают широкий обзор, они наиболее эффективны в сочетании с полевыми измерениями. Наземные участки, исследования LiDAR с самолетов и наблюдения на основе сообществ калибруют и подтверждают спутниковые оценки биомассы, высоты деревьев и видового состава. Синергия между данными космического базирования и на месте повышает надежность оповещений о вырубке лесов и расчетов углеродного потока, поддерживая надежные политические решения.

Виды спутниковых данных, используемых при мониторинге обезлесения и землепользования

Различные типы датчиков захватывают различные аспекты поверхности Земли. Выбор правильного датчика зависит от применения, требуемого пространственного и временного разрешения и условий окружающей среды региона (например, стойкий облачный покров в тропических лесах).

Оптические образы

Оптические спутники, такие как Landsat 8/9, Sentinel-2 и MODIS, захватывают отраженный солнечный свет на видимых и ближних инфракрасных длинах волн. Эти данные неоценимы для классификации типов покрова земли, вычисления индексов растительности (например, Нормализованный индекс разности растительности, NDVI) и обнаружения потери леса с течением времени. 30-метровое разрешение Landsat и 16-дневный цикл повторного посещения были рабочей лошадкой для глобального отслеживания обезлесения с начала 2000-х годов, в то время как 10-метровое разрешение Sentinel-2 и 5-дневный повторный обзор обеспечивают более тонкую детализацию для мелкомасштабных событий очистки.

Инфракрасные и тепловые данные

Коротковолновые инфракрасные и тепловые полосы помогают различать здоровую, напряженную и мертвую растительность. Например, Нормализованное отношение ожогов (NBR) использует ближние инфракрасные и коротковолновые инфракрасные полосы для отображения степени тяжести пожара и восстановления. Тепловые датчики также могут обнаруживать активные пожары, помогая в управлении пожарами в тропических лесах.

Радар с синтетической апертурой (SAR)

Сенсоры SAR, такие как датчики Sentinel-1, ALOS-2 PALSAR-2 и предстоящий NISAR, излучают микроволновые импульсы, которые проникают в облака и темноту. Это делает SAR идеальным для мониторинга тропических лесов, где облачный покров является постоянным. SAR чувствителен к структуре леса - измерению шероховатости навеса, биомассы и наводнений - и может обнаруживать обезлесение даже под толстыми слоями облаков. Интерферометрический SAR (InSAR) дополнительно позволяет обнаруживать тонкие изменения поверхности земли, в том числе от селективных рубок и деградации лесов.

Спутники LiDAR

Космический LiDAR (например, GEDI НАСА, ICESat-2) обеспечивает прямые измерения высоты растительности и вертикальной структуры. Хотя LiDAR имеет более узкие полосы, чем оптические или радарные датчики, он обеспечивает точную 3D-информацию, жизненно важную для оценки биомассы и оценки деградации лесов - тонкое сокращение запасов углерода в лесах без полного удаления древесного покрова.

Применение в мониторинге глобальной вырубки лесов

Спутниковые данные используются в широком спектре оперативных и научных приложений для отслеживания темпов обезлесения, выявления незаконной деятельности и обеспечения соблюдения политики сохранения.

Обнаружение глобальных изменений в лесу

Возможно, наиболее широко известным приложением является платформа Global Forest Watch, которая обеспечивает оповещения в режиме реального времени о потере древесного покрова, полученные из изображений Landsat. Эта система, разработанная Институтом мировых ресурсов и партнерами, позволила правительствам, НПО и коренным общинам быстро реагировать на незаконные вырубки и посягательства. В период с 2001 по 2023 год спутники зафиксировали чистую потерю более 400 миллионов гектаров леса — площадь, превышающую площадь Индии. Данные показывают, что потеря тропических лесов остается упрямо высокой, в основном за счет расширения сельского хозяйства в Амазонке, бассейне Конго и Юго-Восточной Азии.

Обнаружение незаконной вырубки и добычи полезных ископаемых

Используя оптические изображения высокого разрешения (например, Planet, Maxar) в сочетании с автоматизированными алгоритмами обнаружения изменений, власти могут обнаруживать несанкционированные дороги, бревенчатые палубы и шахты в охраняемых районах. В бразильской Амазонии спутниковый мониторинг обезлесения (PRODES и системы DETER) Национальным институтом космических исследований (INPE) позволил провести рейды правоохранительных органов и способствовал значительному сокращению обезлесения с 2004 по 2012 год. Недавний рост незаконного обезлесения возобновил призывы к более прозрачным и своевременным спутниковым оповещениям.

Углеродные запасы и оценка выбросов

Объединив полученные со спутников карты изменения лесного покрова с биом-специфическими значениями плотности углерода, исследователи оценивают выбросы углекислого газа в результате обезлесения и деградации лесов. Такие оценки учитываются в национальных кадастрах парниковых газов и международных климатических обязательствах. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) признает спутниковые данные в качестве основного источника факторов выбросов в секторе землепользования. Такие проекты, как Инициатива Европейского космического агентства по изменению климата (CCI), производят долгосрочные наборы данных о земельном покрове и биомассе для поддержки науки о климате.

Мониторинг изменений в землепользовании за пределами лесов

Обезлесение является лишь одним из аспектов изменения землепользования. Спутники также отслеживают расширение сельского хозяйства, урбанизацию, создание водохранилищ и добычу полезных ископаемых. Например, расширение плантаций масличных пальм в Индонезии и Малайзии, связанное с обезлесением, регулярно картируется с использованием ежегодных композитов оптических и радиолокационных изображений. Аналогичным образом, оставление пахотных земель в Европе и лесовосстановление в восточных Соединенных Штатах можно количественно оценить с помощью анализа временных рядов индексов растительности. Эти данные информируют о политике устойчивого управления земельными ресурсами, такой как правила цепочки поставок Европейского союза, свободные от обезлесения.

Проблемы спутникового мониторинга

Несмотря на свои сильные стороны, спутниковый мониторинг вырубки лесов и изменений в землепользовании сталкивается с рядом технических и эксплуатационных препятствий.

Облачный покров и временные пробелы

Тропические регионы, где происходит большая часть вырубки лесов, испытывают устойчивый облачный покров. Оптические датчики могут иметь ограниченные пригодные для использования изображения в год, снижая способность точно определять время события. Хотя SAR преодолевает проникновение облака, его интерпретация требует специализированного опыта и менее интуитивно понятна, чем оптические изображения. Комбинирование нескольких типов датчиков (фьюжн) помогает заполнить пробелы, но увеличивает сложность данных.

Обработка и хранение данных

Современные спутниковые группировки ежедневно генерируют терабайты данных. Обработка этих объемов — коррекция атмосферных помех, геометрия датчиков и рельеф местности — требует значительных вычислительных ресурсов и надежных алгоритмов. Методы машинного обучения все чаще используются для автоматизации классификации, но учебные модели требуют большого количества меченых данных и тщательной проверки, чтобы избежать предубеждений.

Решение Торговые компромиссы

Высокое пространственное разрешение (например, субметр) предлагает тонкую детализацию, но уменьшает зону покрытия и частоту повторного посещения, что делает его непригодным для национального мониторинга с использованием стенок стен. Системы среднего разрешения (10-30 м), такие как Landsat и Sentinel, балансируют, но могут пропустить небольшие клиринги или события деградации. Объединение различных наборов данных разрешения в иерархическом подходе является активной областью исследований.

Отличие вырубки лесов от деградации

Спутниковые данные превосходят в обнаружении вырубки лесов, но борются с деградацией - частичное удаление навеса, истончение или подземные пожары. Деградация часто ускользает от датчиков с грубым разрешением и требует данных с высоким разрешением или данных LiDAR для оценки. Этот разрыв означает, что многие официальные цифры обезлесения, вероятно, недооценивают фактическую потерю углерода в лесах.

Политика доступа и открытых данных

Хотя такие крупные программы, как Landsat и Copernicus (Sentinel), предоставляют бесплатные и открытые данные, многие коммерческие наборы данных высокого разрешения остаются дорогостоящими, что ограничивает доступ к хорошо финансируемым учреждениям. Для обеспечения справедливого использования спутникового мониторинга для СВОД+ и национальной отчетности крайне важно наращивать потенциал развивающихся стран. Для преодоления этого разрыва необходимы международные инициативы, такие как ГЭП (Группа по наблюдению за Землей) и СЕРВИР.

Будущие направления и новые технологии

Достижения в области сенсорных технологий, вычислительной техники и аналитики обещают преодолеть многие существующие ограничения, значительно улучшив точность и своевременность мониторинга обезлесения и землепользования.

Спутниковые миссии следующего поколения

Несколько новых миссий усилят глобальный мониторинг лесов. Миссия SAR NASA-ISRO (NISAR) , запуск которой ожидается в 2025 году, обеспечит глобальное повторное покрытие SAR L- и S-диапазона, способное измерять лесную биомассу и обнаруживать изменения при любых погодных условиях. Миссия BIOMASS Европейского космического агентства, несущая SAR P-диапазона, предоставит первую глобальную карту лесной биомассы с разрешением 200 м. Серия GaoFen Китая и коммерческие созвездия, такие как SuperDoves Планеты, обеспечивают почти ежедневное разрешение 3-5 м, что позволяет быстро обнаруживать даже небольшие лесные нарушения.