ispltaИзвестия Санкт-Петербургской лесотехнической академииIzvestia Sankt-Peterburgskoj lesotehniceskoj akademii2079-43042658-5871СПбГЛТУ10.21266/2079-4304.2023.246.22-43isplta-86Research ArticleЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВОFORESTRYВыявление ранних стадий повреждения еловых древостоев короедом-типографом на основе совмещенного анализа материалов спутниковой съемки Sentinel-2b и наземных обследованийIdentification of early stages of damage to spruce stands by bark beetle-typographer based on combined analysis of Sentinel-2B satellite survey materials and ground surveyshttps://orcid.org/0000-0001-8795-2888АлексеевА. С.AlekseevA. S.

АЛЕКСЕЕВ Александр Сергеевич – профессор, заведующий кафедрой лесной таксации, лесоустройства и геоинформационных систем, доктор географических наук

194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

ALEKSEEV Aleksandr S. – DSc (Geography), professor, head of the department of forest inventory, management and GIS

194021. Institute per. 5. St. Petersburg

a_s_alekseev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6375-3080ЧерниховскийД. М.ChernikhovskiiD. M.

ЧЕРНИХОВСКИЙ Дмитрий Михайлович – профессор, доктор сельскохозяйственных наук

194021, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург

CHERNIKHOVSKII Dmitry M. – DSc (Agriculture), professor

194021. Institute per. 5. St. Petersburg

cherndm2006@yandex.ruСанкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. КироваРоссияSt.Petersburg State Forest Technical UniversityRussian Federation20231902202402462243Copyright © Алексеев А.С., Черниховский Д.М., 20242024Алексеев А.С., Черниховский Д.М.Alekseev A.S., Chernikhovskii D.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestiya-lta.spbftu.ru/jour/article/view/86

Исследование посвящено выявлению ранних стадий повреждения еловых насаждений короедом-типографом. С практической точки зрения важнейшее значение представляет выявление начальной стадии повреждения короедом, при которой колонизированные деревья еще не проявляют отчетливых симптомов повреждения, а хвоя сохраняет зеленый цвет. Задача исследования состояла в изучении методами математической статистики изменений вегетационных индексов NDVI и SWVI для еловых насаждений, которые за три года прошли путь от здоровых до сильно поврежденных. Объектами исследования служили 12 очагов массового размножения короеда-типографа и других стволовых вредителей, выявленных в 2021 г. на территории Выборгского и Гатчинского районов Ленинградской области в спелых еловых насаждениях. При проведении наземных работ было выполнено обследование и картирование очагов. С помощью картографического сервиса EO Browser на территорию очагов были получены материалы космической съемки Sentinel-2B за июнь- сентябрь 2020 г. (отсутствие повреждения), 2021 г. (ранние стадии повреждения) и 2022 г. (поздние стадии повреждения). На основе полученных материалов ДЗЗ были рассчитаны вегетационные индексы NDVI и SWVI. С помощью дисперсионного анализа установлено достоверное и значимое снижение значений обоих индексов по годам повреждения, а также по годам и месяцам. Отмечено, что при повреждении насаждений короедом меняется сезонная динамика значений индексов. Выявлены достоверные линейные тренды снижения значений индексов по годам и месяцам. Анализ коэффициентов чувствительности и синхронности изменения вегетационных индексов по годам и месяцам показал, что снижение значений индексов происходит независимо от внешних (случайных) факторов, а также не синхронно относительно друг от друга. В практическом отношении выявленные закономерности изменения вегетационных индексов NDVI и SWVI могут служить сигналом о начальной стадии повреждения насаждений и основанием для проведения наземных обследований c целью раннего обнаружения повреждений и своевременного предотвращения их распространения.

The study is devoted to the identification of the early stages of damage to Norway spruce tree stands by a bark beetle. From a practical point of view, it is of crucial importance to identify the initial stage of bark beetle damage, in which colonized trees do not yet show distinct symptoms of damage, and the needles retain their green color. The objective of the paper was to study by methods of mathematical statistics changes in the vegetation indices NDVI and SWVI for Norway spruce stands, which in 3 years have gone from healthy to severely damaged. The objects of the study were 12 sites of mass reproduction of bark beetles and other stem pests formed in 2021 on the territory of Vyborg and Gatchina districts of the Leningrad region in mature Norway spruce tree stands. During the ground work, the survey and mapping of damaged sites were carried out. With the help of the EO Browser mapping service, Sentinel-2B satellite survey materials for June-September 2020 (no damage), 2021 (early stages of damage) and 2022 (late stages of damage) were received on the territory of the damaged sites. Vegetation indices NDVI and SWVI were calculated on the basis of the received remote sensing materials. With the help of variance analysis, a reliable and significant decrease in the values of both indices was established by the years of damage, as well as by years and months. It is noted that when bark beetles damage plantings, the seasonal dynamics of index values changes. Reliable linear trends of decreasing of both index values by year and month are revealed. Analysis of the sensitivity coefficients and synchronicity of changes in vegetation indices by year and month showed that the decrease in index values occurs independently of external (random) factors, as well as not synchronously relative to each other. In practical terms, the revealed patterns of changes in the vegetation indices NDVI and SWVI can serve as a signal about the initial stage of damage to plantings and the basis for conducting ground surveys with the aim of early detection of damage and timely prevention of their spread.

короед-типографвегетационный индексповреждение насажденийдисперсионный анализочаги массового размножения короедовкоэффициент чувствительностикоэффициент синхронностиbark beetle-typographervegetation indexdamage to forest standsanalysis of variancesites of mass reproduction of bark beetlessensitivity coefficientsynchronicity coefficientНастоящее исследование осуществлено при финансовой поддержке проекта Российского Научного Фонда 21-16-00065 «Роль насекомых и патогенов в ослаблении и гибели хвойных древостоев Северо-Запада Российской Федерации: количественная оценка и мониторинг».ReferencesАлексеев А.С. Мониторинг лесных экосистем. СПб.: Изд-во СПбГЛТУ. 2003. 116 с.Alekseev A.S. Monitoring of forest ecosystems. St. Petersburg: SPbGLTU, 2003. 116 p. (In Russ.)Алексеев А.С., Черниховский Д.М., Селиховкин А.В., Мамаев Н.А. Опыт оценки состояния лесов на основе расчета вегетационных индексов по спутниковым снимкам Sentinel-2b // Цифровые технологии в лесном секторе: матер. III Всерос. науч.-технич. конференции-вебинара 24–25 февраля 2022 г. / под ред. А.А. Добровольского. СПб.: СПбГЛТУ, 2022. С. 9–12.Alekseev A.S., Chernikhovsky D.M., Selikhovkin A.V., Mamaev N.A. The experience of assessing the state of forests based on the calculation of vegetation indices from Sentinel-2b satellite images. Digital technologies in the forest sector: proceedings of the III All-Russian Scientific and Technical Conference-webinar, February, 24-25, 2022. St. Petersburg: SPbGLTU, 2022. pp. 9–12. (In Russ.)Алексеев А.С., Черниховский Д.М., Селиховкин А.В., Мамаев Н.А. Выявление очагов размножения вредителей и болезней леса с использованием материалов наземных обследований, дистанционного зондирования земли и ГИС-технологий // Цифровые технологии в лесном секторе: матер. III Всерос. науч.- технич. конференции-вебинара 24–25 февраля 2022 г. / под ред. А.А. Добровольского. СПб.: СПбГЛТУ, 2022. С. 6–9.Alekseev A.S., Chernikhovsky D.M., Selikhovkin A.V., Mamaev N.A. Identification of breeding centers of pests and diseases of the forest using materials of ground surveys, remote sensing of the earth and GIS technologies. Digital technologies in the forest sector: proceedings of the III All-Russian Scientific and Technical conference-webinar, February 24–25, 2022. St. Petersburg: SPbGLTU, 2022. pp. 6–9. (In Russ.)Барталев С.А., Егоров В.А., Крылов А.М., Стыценко Ф.В., Ховратович Т.С. Исследование возможностей оценки состояния поврежденных пожарами лесов по данным многоспектральных спутниковых измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т. 7. № 3. С. 215–225.Bartalev S.A., Egorov V.A., Krylov A.M., Stytsenko F.V., Khovratovich T.S. Investigation of the possibilities of assessing the condition of forests damaged by fires according to multispectral satellite measurements. Modern problems of remote sensing of the Earth from space, 2010, vol. 7, no. 3. pp. 215–225. (In Russ.)Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Егоров В.А., Лупян Е.А. Спутниковая оценка гибели лесов России от пожаров // Лесоведение. 2015. № 2. С. 83–94.Bartalev S.A., Stytsenko F.V., Egorov V.A., Lupyan E.A. Satellite assessment of the death of Russian forests from fires. Forest science, 2015, no. 2, pp. 83–94. (In Russ.)Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука, 1996, 244 с.Cherepanov A.S., Druzhinina E.G. Spectral properties of vegetation and vegetation indices. Geomatics, 2009, no. 3, pp. 28–32. (In Russ.)Воробейчик Е.А., Хантемирова Е.В. Реакция лесных фитоценозов на техногенное загрязнение: зависимость доза-эффект // Экология. 1994. № 3. С. 31–35.Chernikhovsky D.M., Alekseev A.S. Automated classification of coniferous plantations based on Sentinel-2 survey materials. Forests of Russia: politics, industry, science, education. Proceedings of the VII All-Russian Scientific and Technical Conference. St. Petersburg: SPFTU, 2022, pp. 385–387. (In Russ.)Гусев А.П. Многолетние изменения вегетационных индексов как индикатор динамики состояния природных и антропогенных геосистем // Геополитика и экогеодинамика регионов. 2021. Т. 7 (17). Вып. 2. С. 202–209.Fedotova E.V., Zarechneva A.I. Spatio-temporal dynamics of the outbreak of mass reproduction of the Siberian silkworm in the dark coniferous stands of the Altai Mountains. Journal of the Siberian Federal University. Series: Engineering and Technology, 2017, vol. 10, no. 6, pp. 747–757. (In Russ.)Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Динамика спектральной яркости породно-возрастной структуры групп типов леса на космических снимках Landsat // Лесоведение. 2014. № 5. С. 3–12.Gusev A.P. Long-term changes in vegetation indices as an indicator of the dynamics of the state of natural and anthropogenic geosystems. Geopolitics and ecogeodynamics of regions, 2021, vol. 7 (17), iss. 2, pp. 202–209. (In Russ.)Жирин В.М., Князева С.В., Эйдлина С.П. Многолетняя динамика вегетационных индексов темнохвойных лесов после повреждения сибирским шелкопрядом // Лесоведение. 2016. № 1. С. 3–14.Methods of monitoring pests and diseases of the forest / Under the general editorship of V.K. Tuzov. M.: VNIILM, 2004. 200 p. (In Russ.)Методы мониторинга вредителей и болезней леса / под общ. ред. В.К. Тузова. М.: ВНИИЛМ, 2004. 200 с.Shiyatov S.G. Dendrochronology of the upper boundary of the forest in the Urals. M.: Nauka, 1986. 136 p. (In Russ.)Силкина О.В., Винокурова Р.И. Сезонная динамика содержания хлорофиллов и микроэлементов в формирующейся хвое Abies sibirica и Picea abies // Физиология растений. 2009. Т. 56, № 6. С. 864–870.Silkina O.V., Vinokurova R.I. Seasonal dynamics of the content of chlorophylls and trace elements in the emerging conifers Abies sibirica and Picea abies. Plant Physiology, 2009, vol. 56, no. 6, pp. 864-870. (In Russ.)Солдатов В.В., Суховольский В.Г. Принятие решений в задачах защиты леса от насекомых-вредителей // Сибирский лесной журнал. 2021. № 5. С. 101–111.Soldatov V.V., Sukhovolsky V.G. Decision-making in the tasks of protecting forests from insect pests. Siberian Forest Journal, 2021, no. 5, pp. 101-111. (In Russ.)Стыценко Ф.В., Барталев С.А., Букась А.В., Ершов Д.В., Сайгин И.А. Возможности пролонгированной оценки постпожарного состояния хвойных вечнозелёных лесов по данным многоспектральных спутниковых измерений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 5. С. 217–227.Soultson S.M., Ponomarev E.I., Shvetsov E.G., Tretyakov P.D., Goroshko A.A., Kulakova N.N., Mikhailov P.V. The use of remote sensing for forecasting violations of dark coniferous forests after the outbreak of the Siberian silkworm population. Biosphere: [Interdisciplinary Scientific and Applied journal], 2023, vol. 15, no. 1, pp. 21–32. DOI: 10.24855/biosfera.v15i1.790 (In Russ.)Сультсон С.М., Пономарев Е.И., Швецов Е.Г., Третьяков П.Д., Горошко А.А., Кулакова Н.Н., Михайлов П.В. Применение дистанционного зондирования для прогноза нарушений темнохвойных лесов после вспышки численности сибирского шелкопряда // Биосфера: [междисциплинарный научный и прикладной журнал]. 2023. Т. 15, № 1. С. 21–32. DOI: 10.24855/biosfera.v15i1.790Stytsenko F.V., Bartalev S.A., Bukas A.V., Ershov D.V., Saigin I.A. The possibilities of a prolonged assessment of the post-fire state of coniferous evergreen forests according to multispectral satellite measurements. Modern problems of remote sensing of the Earth from space, 2019, vol. 16, no. 5, pp. 217–227. (In Russ.)Федотова Е.В., Заречнева А.И. Пространственно-временная динамика вспышки массового размножения сибирского шелкопряда в темнохвойных древостоях Горного Алтая // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2017. Т. 10, № 6. С. 747–757.Vaganov E.A., Shiyatov S.G., Mazepa V.S. Dendroclimatic studies in the Ural-Siberian Subarctic. Novosibirsk: Nauka, 1996, 244 p. (In Russ.)Черепанов А.С., Дружинина Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика. 2009. № 3. С. 28–32.Vorobeychik E.A., Khantemirova E.V. Reaction of forest phytocenoses to technogenic pollution: dose-effect relationship. Ecology, 1994, no. 3, pp. 31–35. (In Russ.)Черниховский Д.М., Алексеев А.С. Автоматизированная классификация состояния хвойных насаждений на основе материалов съемки Sentinel-2 // Леса России: политика, промышленность, наука, образование: матер. VII Всерос. науч.-технич. конф. СПб.: СПбГЛТУ, 2022. С. 385–387.Zhirin V.M., Knyazeva S.V., Eidlina S.P. Dynamics of spectral brightness of the breed-age structure of groups of forest types on Landsat satellite images. Forest science, 2014, no. 5, pp. 3–12. (In Russ.)Шиятов С.Г. Дендрохронология верхней границы леса на Урале. М.: Наука, 1986. 136 с.Zhirin V.M., Knyazeva S.V., Eidlina S.P. Long-term dynamics of vegetation indices of dark coniferous forests after damage by Siberian silkworm. Forest science, 2016, no. 1, pp. 3–14. (In Russ.)Abdullah H., Darvishzadeh R., Skidmore A.K., Heurich M. Sensitivity of Landsat-8 OLI and TIRS Data to Foliar Properties of Early Stage Bark Beetle (Ips typographus L.) Infestation // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, 398. URL: https://doi:10.3390/rs11040398Abdullah H., Darvishzadeh R., Skidmore A.K., Heurich M. Sensitivity of Landsat-8 OLI and TIRS Data to Foliar Properties of Early Stage Bark Beetle (Ips typographus L.) Infestation. Remote Sensing, 2019, vol. 11(4), 398. URL: https://www.mdpi.com/2072-4292/11/4/398Abdullah H., Skidmore A.K., Darvishzadeh R., Heurich M. Sentinel-2 accurately maps green-attack stage of European spruce bark beetle (Ips typographus L.) compared with Landsat-8 // Remote Sensing in Ecology and Conservation. 2018. P. 1–20. DOI: 10.1002/rse2.93Abdullah H., Skidmore A.K., Darvishzadeh R., Heurich M. Sentinel-2 accurately maps green-attack stage of European spruce bark beetle (Ips typographus L.) compared with Landsat-8. Remote Sensing in Ecology and Conservation, 2018, pp. 1–20. DOI: 10.1002/rse2.93Abdullah H.J. Remote sensing of European spruce (Ips typographus, L.) bark beetle green attack. Dissertation to obtain the degree of doctor at the University of Twente. The Netherlands. 2019. 151 p. DOI: 10.3990/1.9789036547956Abdullah H.J. Remote sensing of European spruce (Ips typographus, L.) bark beetle green attack. Dissertation to obtain the degree of doctor at the University of Twente, The Netherlands. 2019. 151 p. DOI: 10.3990/1.9789036547956Alekseev A., Chernikhovskii D. Assessment of the health status of tree stands based on Sentinel – 2B remote sensing materials and the short-wave vegetation index SWVI // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 876 (2021). 012003. DOI: https://doi:10.1088/1755-1315/876/1/012003Alekseev A., Chernikhovskii D. Assessment of the health status of tree stands based on Sentinel – 2B remote sensing materials and the short-wave vegetation index SWVI. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2021, 876, 012003. https://doi:10.1088/1755-1315/876/1/012003Alekseev A., Chernikhovskii D., Vetrov L., Gurjanov M. and Nikiforchin I. Determination of the state of forests based on a regular grid of ground-based sample plots and Sentinel-2B satellite imagery using the k-NN («nearest neighbour») method // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 876 (2021). 012002. DOI: https://doi:10.1088/1755-1315/876/1/012002Alekseev A., Chernikhovskii D., Vetrov L., Gurjanov M., Nikiforchin I. Determination of the state of forests based on a regular grid of ground-based sample plots and Sentinel-2B satellite imagery using the k-NN («nearest neighbour») method. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2021, 876, 012002. URL: https://doi:10.1088/1755-1315/876/1/012002Alekseev A.S., Chernikhovskii D.M. Assessment of the State of Forests Based on Joint Statistical Processing of Sentinel-2B Remote Sensing Data and the Data from Network of Ground-Based ICP-Forests Sample Plots // Open Journal of Ecology. 2022. 12. P. 513–528. DOI: https://doi.org/10.4236/oje.2022.128028Alekseev A.S., Chernikhovskii D.M. Assessment of the State of Forests Based on Joint Statistical Processing of Sentinel-2B Remote Sensing Data and the Data from Network of Ground-Based ICP-Forests Sample Plots. Open Journal of Ecology, 2022, 12, pp. 513–528. URL: https://doi.org/10.4236/oje.2022.128028Fritts H.C. Tree rings and climate. London: Academic press, 1976. 567 p.Fritts H.C. Tree rings and climate. London: Academic press, 1976. 567 p.Georgiev G., Georgieva M., Belilov S., Mirchev P., Deliyanchev S., Mladenov V., Kropov K., Haydarova S. Early Detection of Ips Typographus Infestations by Using Sentinel-2 Satellite Images In Windthrow Affected Norway Spruce Forests In Smolyan Region, Bulgaria // Silva Balcanica. 2022. 23(2). P. 27–34. DOI: 10.3897/silvabalcanica.22.e98314Georgiev G., Georgieva M., Belilov S., Mirchev P., Deliyanchev S., Mladenov V., Kropov K., Haydarova S. Early Detection of Ips Typographus Infestations by Using Sentinel-2 Satellite Images In Windthrow Affected Norway Spruce Forests In Smolyan Region, Bulgaria. Silva Balcanica, 2022, 23(2), pp. 27–34. DOI: 10.3897/silvabalcanica.22.e98314Schweingruber F.H. Trees and wood in dendrochronology. Berlin: Springer Verlag, 1993. 386 p.Schweingruber F.H. Trees and wood in dendrochronology. Berlin: Springer Verlag, 1993. 386 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.