Отображение долгосрочных изменений в землепользовании с помощью данных дистанционного зондирования

Изменение землепользования стало одним из наиболее устойчивых и очевидных результатов антропоцена, когда вырубка лесов, сельское хозяйство и расширение городов оставили четкий отпечаток на нашей планете.

Мониторинг этих изменений является ключом к пониманию их последствий, а также к потенциальному оповещению ученых и политиков о том, где должны произойти изменения, чтобы остановить разрушение нашей природной среды.

Мониторинг изменений в землепользовании

Теперь инициатива Геологической службы США USGS по мониторингу, оценке и прогнозированию изменений на Земле (LCMAP) помогает лучше отслеживать нашу хрупкую Землю и долгосрочные изменения в землепользовании.

Первоначально Геологическая служба США по мониторингу, оценке и прогнозированию изменений на Земле была создана в Центре наблюдения и науки о земных ресурсах Геологической службы США (EROS). Идея состояла в том, чтобы представить ученым и общественности новое поколение картографирования растительного покрова и мониторинга изменений с использованием более качественных данных дистанционного зондирования и более частых выпусков данных.

Основное внимание уделяется материковой части Соединенных Штатов, хотя данные по Гавайям также были опубликованы. В целом, данные охватывали 1985-2021 годы.

Помимо спутниковых данных, которые в основном состояли из снимков Landsat, информация включала обработанные результаты алгоритмического обнаружения изменений (с использованием PYCCD) и контролируемую информацию о модели обучения и результатах.

Панели, показывающие изменения в землепользовании / растительном покрове (LULC) в округе Чарльз, Мэриленд, с 2014-2018 годов. Скриншот из динамического изменения LULC, Chesapeake Conservancy, сделанный 25 октября 2022 года.

Доступ к данным из системы мониторинга, оценки и прогнозирования изменений земель USGS (LCMAP)

Данные из LCMAP доступны с EarthExplorer, веб-средств просмотра LCMAP, веб-сайтов мозаики LCMAP и WMS LCMAP. (По теме: Геологическая служба США публикует данные об изменении растительного покрова за два десятилетия для Соединенных Штатов)

Данные в наборах снимков, таких как набор 1.0, которые охватывают период с 1985 по 2017 год, предоставляют информацию о растительном покрове, достоверность результатов о растительном покрове, вторичный растительный покров, достоверность вторичного растительного покрова, ежегодное изменение растительного покрова, время изменения спектра, величина изменения, период стабильности спектра, время с момента последнего изменения и качество спектральной модели.

Преимущества использования данных дистанционного зондирования для долгосрочного мониторинга землепользования

Данные позволяют не только отслеживать изменения в землепользовании, но и наблюдать за качеством результатов, за тем, как быстро изменилось землепользование за данный период, и какой еще почвенный покров присутствует помимо первичного наблюдения.[2]

Совсем недавно выпуск LCMAP 2021 (1.3) расширил охват с 1985-2021 годов.

Геологическая служба США недавно опубликовала данные LCMAP 1.3. Из Геологической службы США: "(А) Национальная программа создания изображений сельского хозяйства Министерства сельского хозяйства США (USDA) (NAIP) аэрофотоснимки от 15 ноября 2021 года над недавно нарушенными участками вблизи Ньюнана, штат Джорджия, расположенными к юго-западу от Атланты. Примеры включают то, что, по-видимому, (1) расчистка лесов для городского развития, (2) часть шрама от торнадо EF4, который обрушился на Ньюнан 26 марта 2021 года, (3) сочетание нарушений, включая лесовосстановление, и (4) сбор леса. (B) Сбор LCMAP 1.3 Ежегодное изменение растительного покрова с 2021 года выявило все четыре нарушения, показанные фиолетовым цветом как изменения классификации растительного покрова. (C) Коллекция LCMAP 1.3 Время спектрального изменения продукта за 2020 и 2021 годы показывает, когда спектральные изменения произошли в 2020 и 2021 годах, сгруппированные по месяцам, включая шрам от торнадо, показывающий изменения в апреле 2021 года после торнадо в конце марта. (D) Произведение величины спектральных изменений коллекции LCMAP 1.3, которое показывает интенсивность разрыва спектральной модели с более резкими изменениями, такими как расчистка лесов, в оттенках синего и более тонкими изменениями, такими как повторный рост лесов или ущерб от торнадо, в оттенках зеленого." Изображение: USGS, общественное достояние.

Эти данные можно использовать для мониторинга многих различных типов изменений в землепользовании, включая динамику водно-болотных угодий, изучение последствий ураганов, изучение того, как добыча полезных ископаемых повлияла на различные части США, изучение береговой эрозии и понимание интенсивности изменений в землепользовании, вызванных лесными пожарами.

Преимущество различных выпусков данных заключается в том, что алгоритмы, используемые для классификации и проверки результатов, могут постоянно совершенствоваться, что позволяет лучше обнаруживать изменения, например, в течение периода охвата данных. Эти результаты, а также обновления алгоритмов и их усовершенствования часто публикуются, например, в статье, в которой представлены методы обнаружения изменений и классификации.[3]

В то время как большая часть данных сосредоточена на нижних 48 штатах США, недавно были опубликованы данные по Гавайям, а также опубликована статья, в которой обсуждаются некоторые результаты.[4]

Мониторинг восстановления лесов с помощью дистанционного зондирования

Другие недавние результаты были сосредоточены на восстановлении лесов в США как способе смягчения долгосрочных последствий изменения климата.

Вырубленный лес в горах Уачита в Арканзасе. Фото: Марк Драммонд, Геологическая служба США, общественное достояние.

Результаты с использованием LCMAP показали, что на юго-востоке США деревья росли быстрее всего, в среднем на восстановление уходило около 5 лет. Это говорит о том, что усилия, направленные на районы с более быстрым ростом, могут принести более быструю отдачу, если сосредоточиться на этом регионе.

С другой стороны, в других районах восстановить общий древесный покров может быть гораздо труднее или, по крайней мере, потребуется больше времени, например, на северо-западе в некоторых случаях восстановление занимает десятилетия.[5]

Долгосрочные перспективы мониторинга землепользования

Использование LCMAP для различного долгосрочного мониторинга землепользования, вероятно, станет более важным для ученых и политиков, особенно изменения в землепользовании играют такую важную роль в различных экологических угрозах, но также и в выгодах.

Усилия по объединению критически важных данных и обеспечению более простого способа классификации и обнаружения изменений в землепользовании, не требуя выполнения этой работы исследователями, делают полезность данных Landsat более доступной. Теперь это также позволяет начать более эффективное планирование, например, на чем следует сосредоточить усилия по сохранению лесов и обеспечению их возобновления.


Рекомендации

[1] Подробнее о PYCCD см.: Киллоу, Брайан Д. 2022. "Данные спутникового анализа, готовые для целей устойчивого развития'. В серии геофизических монографий, ред. Аргиро Каввада, Дуглас Крипе и Лоуренс Фридл. Уайли, 133-43. https://onlinelibrary .wiley.com/doi/10.1002/9781119536789.ch8 (23 октября 2022 года).

[2] Для получения дополнительной информации о программе и продуктах LCMAP см.: https://www.usgs.gov/special-topics/lcmap .

[3] Подробнее о том, как данные Landsat понимаются и используются для обнаружения изменений и классификации в LCMAP с использованием некоторых обновлений, см.: Brown, Jesslyn F. et al. 2020. "Извлеченные уроки по внедрению оперативного непрерывного национального потенциала мониторинга изменений земель в Соединенных Штатах: Подход к мониторингу, оценке и прогнозированию изменений земель (LCMAP)". Дистанционное зондирование окружающей среды 238: 111356.

[4] Подробнее о Гавайях и подходах к классификации, используемых для этого штата, см.: Li, Congcong et al. 2022. 'Разработка ежегодного продукта LCMAP по растительному покрову на Гавайях'. Международный журнал прикладных наблюдений за Землей и геоинформации 113: 103015.

[5] Подробнее о восстановлении лесов в США с использованием LCMAP см.: Zhou, Qiang et al. 2022. 'Карта продолжительности отрастания деревьев из коллекции LCMAP 1.0 Land Cover Products в сопредельных Соединенных Штатах, 1985-2017'. Наука и дистанционное зондирование 59 (1): 959-74.