Выявление ранних стадий повреждения еловых древостоев короедом-типографом на основе совмещенного анализа материалов спутниковой съемки Sentinel-2b и наземных обследований

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.

1. Алексеев А.С. Мониторинг лесных экосистем. СПб.: Изд-во СПбГЛТУ. 2003. 116 с.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Ваганов Е.А., Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Дендроклиматические исследования в Урало-Сибирской Субарктике. Новосибирск: Наука, 1996, 244 с.

7. Воробейчик Е.А., Хантемирова Е.В. Реакция лесных фитоценозов на техногенное загрязнение: зависимость доза-эффект // Экология. 1994. № 3. С. 31–35.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Методы мониторинга вредителей и болезней леса / под общ. ред. В.К. Тузова. М.: ВНИИЛМ, 2004. 200 с.

12. 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.

13. Солдатов В.В., Суховольский В.Г. Принятие решений в задачах защиты леса от насекомых-вредителей // Сибирский лесной журнал. 2021. № 5. С. 101–111.

14. 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.

15. 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.v15i1.790

16. 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.

17. Черепанов А.С., Дружинина Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика. 2009. № 3. С. 28–32.

18. 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.

19. Шиятов С.Г. Дендрохронология верхней границы леса на Урале. М.: Наука, 1986. 136 с.

20. 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/rs11040398

21. Abdullah 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/rse2.93

22. Abdullah 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: 10.3990/1.9789036547956

23. Alekseev 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:10.1088/1755-1315/876/1/012003

24. Alekseev 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:10.1088/1755-1315/876/1/012002

25. Alekseev 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.2022.128028

26. Fritts H.C. Tree rings and climate. London: Academic press, 1976. 567 p.

27. 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.e98314

28. Schweingruber F.H. Trees and wood in dendrochronology. Berlin: Springer Verlag, 1993. 386 p.