АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ВЕГЕТАЦИОННОГО ИНДЕКСА ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ ГОРОДОВ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ В ПЕРИОД ВЕГЕТАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ

Дистанционный мониторинг лесов от нелегальной рубки ведется с 2013 года. Сегодня система слежения охватывает свыше 250 млн. га в 40 регионах страны. Но данных по целенаправленной системной работе с зелеными насаждениями городов с использованием дистанционных методов исследования крайне мало. Источниками данных для анализа и мониторинга используются снимки спутников Sentinel, Landsat и группы российских спутников Конопус – B. Для оценки общего состояния зеленых насаждений используется широко известный вегетационный индекс NDVI, рассчитывающийся на основе данных красного и ближнего инфракрасного каналов. Проблеме корректного расчёта NDVI для конкретных спутников уделяется повышенное внимание

Оценка изменчивости NDVI на имеющейся базе данных показала, что сенсоры спутников Landsat-8 Landsat-9 показали наименьшую погрешность и отклонения. Для этого рассчитывались стандартные отклонения величин NDVIs для каждого спутника относительно среднего значения. При дальнейшем составлении математической модели анализа точности датчики Landsat показывали наименьшие отклонения и давали более точные результаты, а данные российского спутника Канопус-B показывали наибольшую погрешность и давали данные с большими отклонениями

В перспективе применение инструментария геоинформационных технологий при мониторинге состояния зеленых насаждений городов Иркутской области может давать объективную картину актуального состояния растительности практически ежегодно, что невозможно сделать при мониторинге состояния зеленых насаждений наземным способом. Как правило, мониторинг зеленых насаждений проводится раз в 5 или 10 лет при условии наличия службы зеленого хозяйства. Также анализ динамики индекса NDVI (англ. Normalized Difference Vegetation Index) зеленых насаждений городов Иркутской области поможет оперативно оценивать видовой состав и состояние зеленых насаждений. При современном уровне развития технологий дистанционного зондирования Земли применение NDVI становится важным инструментом для получения своевременных и актуальных данных о зеленых насаждениях.

Объектом исследования в статье является вегетационный индекс NDVI зеленых насаждений городов Иркутской области. Города, зеленые насаждения которых исследуются в статье, равномерно распределены по территории Иркутской области, которая является крупнейшим районом, имеющим важное экономическое значение в экономике Российской Федерации. Площадь Иркутской области составляет 774 846, при этом удельный вес городского населения 78, 25% от общей численности населения. На территории области расположены 446 муниципальных образований, 54 поселка и 1488 сельских населенных пунктов

Для исследования состояния зеленых насаждений методами дистанционного зондирования выбраны промышленные города Иркутской области: Ангарск, Тулун и Саянск.

Ангарск является образцовым городом по озеленению и благоустройству, который неоднократно становился победителем всероссийского конкурса по благоустройству и озеленению (2003, 2005,2008 годы). Ангарск – промышленный город с предприятиями нефтехимической, химической промышленности. На долю города приходится 13,2 % промышленной продукции Иркутской области

Тулун – крупный центр лесной и лесохимической промышленности, а также центр угледобывающей промышленности Иркутской области. На территории Тулунского района находятся два действующих угольных разреза (Мугунский и Азейский), в активный период добывающие до 25 тысяч тонн угля в сутки

Саянск – один из самых молодых промышленных городов Иркутской области. Саянск является одним из лидеров региона в плане создания комфортной городской среды. Основными предприятиями города являются ОАО «Саянскхимпласт», ООО «Саянский бройлер», ООО «Химпромстрой». Город является зеленым и благоустроенным

Отличительной особенностью малых и средних городов Иркутской области заключается в том, что при городской застройке оставлялись довольно большие массивы таежных лесов с преобладанием хвойных пород (сосна обыкновенная, лиственница сибирская, пихта сибирская, ель сибирская, сосна кедровая сибирская). Среди лиственных пород преобладают береза повислая, осина. Лишь в конце XX столетия в этих городах организованно стали проводить озеленение и использование морозоустойчивых интродуцентов (тополь бальзамический). В большинстве городов не проводится инвентаризация, а также отсутствует мониторинг состояния зеленых насаждений. Поэтому для начала оценки состояния зеленых насаждений было решено использовать материалы дистанционного зондирования, а затем переходу к инвентаризации городских посадок.

Снимки, используемые для работы над данным исследованием, получены из базы снимков Национальной геологической службы США по каждому населенному пункту и за каждый исследуемый год. Для анализа вегетационного индекса NDVI за указанный период в ручном режиме отобраны снимки, датированные с 15 июля по 15 августа с 2013 по 2022 год. При анализе снимков не применялись инструменты облачной коррекции, поэтому весь собранный для работы материал датирован днями, когда была ясная безоблачная погода

На рис. 1 изображена цветовая палитра распределения значений NDVI, которая применялась в процессе создания визуальных изображений для дальнейшей работы. Шаблон в виде файла формата txt получен из контента по работе с QGIS на видеохостинге YouTube

[16]

.

Рисунок 1 - Шаблон цветовой палитры распределения значения NDVI

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.1

Анализ проводился в программе QGIS версии 3.30.3 (актуальная версия на дату написания статьи). Так как получаемые результаты индекса NDVI полученные при помощи модуля Processing Saga NextGen Provider давали нестабильные результаты, каждый индекс рассчитывался вручную при помощи калькулятора растров. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики исследуемых городов и фактически исследуемые площади.

Среди исследуемых городов Тулун является самым старым, Саянск, как говорилось ранее, самым молодым. Также в городе Тулун визуально наблюдается самый большой частный сектор. Ангарск обладает самой большой численностью населения и площадью городской территории

Вегетационный индекс NDVI рассчитывался по формуле:

(1)

Где NIR – отражение в ближней инфракрасной области спектра  RED – отражение в красной области спектра.

На рис. 2 изображены фактически исследованные участки территории городов, так как были исключены промышленные и производственные зоны.

Рисунок 2 - Изображение фактически исследованных городских территорий

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.3

Таким образом, в Ангарске жилые районы занимают 40% от общей площади, в г. Тулун – 62%, и в г. Саянск – 25%, соответственно, методом картографического обследования подтверждает статус крупных промышленных центров, а также острую потребность в особом внимании к вопросам озеленения и аналитике состояния зеленых насаждений.

Табл. 2 представляет собой сводные данные полученных вегетационных индексов объектов исследования за весь период, а также соответствующих периоду средней температуры и осадков.

По результатам анализа табл. 2 составлены графики и общие тренды индекса NDVI и произведено визуальное сравнение изображений с минимальным и максимальным значением NDVI.

Несмотря на то, что исследуемые города имеют очень похожие географические характеристики, находятся в одном регионе тренды NDVI, максимальные и минимальные значения индекса не совпадают за период 2013-2022 г. На рисунках 3-5 представлены графики изменения индекса.

Рисунок 3 - График индекса NDVI г. Ангарск за исследуемый период

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.5

График индекса по Ангарску представляет собой ломаную кривую с пиковым самым высоким значением в 2017 и падением в 2020 годах. В связи с этой картиной общий тренд индекса имеет волнообразную форму.

Рисунок 4 - График индекса NDVI г. Тулун за исследуемый период

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.6

График индекса в Тулуне не имеет ярко выраженных скачков по годам и в целом наблюдается гармоничная картина общего тренда NDVI.

Рисунок 5 - График индекса NDVI г. Саянск за исследуемый период

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.7

График индекса NDVI г. Саянска неоднородный с резкими периодами снижения, а 2018 и 2020 году, хотя в общей картине графика тренд выглядит позитивным за счет годов, когда он приближался к 1.

Ярко выраженных скачков среднемесячной температуры за 2013-2022 года по метеоданным, приведенным в табл. 2 не наблюдалось. Все показатели имеют незначительные колебания вокруг одних и тех же значений. Среднемесячная температура июля/августа по Ангарску за исследуемый период по Ангарску – 17°С, в Тулуне – 16-18°С, в Саянске – 21-22°С.

На рис. 6 приведен обобщающий график значения индекса NDVI по исследуемым городам за период с 2013 по 2022 годы.

Рисунок 6 - Обобщенный график индекса NDVI по исследуемым городам

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.8

На рис 6. Видно, что графики вегетационного индекса зеленых насаждений Саянска и Ангарска имеют общие тенденции к повышению и понижению, а динамика индекса NDVI в г. Тулун существенно отличается от первых двух городов.

На рис. 7-9 в качестве примера приведена зависимость индекса NDVI с количеством осадков, выпавших за месяц исследования, среднемесячной температурой за июль – август и суммарным индексом погоды, который рассчитывается как произведение относительной температуры за месяц исследования и относительного количества осадков за тот же период по Ангарску.

Рисунок 7 - Соотношение индекса NDVI с количеством осадков

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.9

Как видно из рис. 7 количество осадков и величина индекса NDVI имеют слабую корреляцию между собой.

Рисунок 8 - Соотношение индекса NDVI со среднемесячной температурой

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.10

Данные рис. 8 показывают, что взаимосвязь между среднемесячной температурой воздуха и индексом NDVI более тесная (коэффициент детерминации R2=0,315).

Рисунок 9 - Соотношение индекса NDVI с суммарным коэффициентом погоды

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.11

Также незначительная корреляция между суммарным коэффициентом погоды и величиной  вегетационного индекса.

Многие авторы отмечают отрицательную реакцию вегетационного индекса на повышение температуры и положительную корреляцию с влажностью воздуха и почвы

Анализируя визуальную иллюстрацию индексов NDVI по максимальным и минимальным значениям (рис. 10-12) кардинально меняется представление об использовании этого инструмента для исследования зеленых насаждений промышленных городов.

Рисунок 10 - Сравнение максимального и минимального значения индекса NDVI за исследуемый период в Ангарске

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.12

Рисунок 11 - Сравнение максимального и минимального значения индекса NDVI за исследуемый период, г. Тулун

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.13

Рисунок 12 - Сравнение максимального и минимального значения индекса NDVI за исследуемый период, г. Саянске

DOI:10.23649/JAE.2024.41.11.14

Визуальная разница между максимальным и минимальным значением очевидно и ярко выражена, что очевидно показывают иллюстрации.

Ко всем иллюстрациям были применены одинаковые настройки стиля, но при этом одно и то же максимальное значение индекса 0,99 в Саянске и Тулуне выглядит совершенно по-разному. При исследовании состояния зеленых насаждений необходимо учитывать факторы, которые касаются окружающих этот город производств. Из-за такой большой визуальной разницы в картине NDVI можно предположить, что основной фактор влияния на характеристики индекса могут оказывать многолетние атмосферные выбросы производств, которые повлияли на почвенный состав и растительность. Так как индекс NDVI оценивает общее качество растительности на исследуемой территории (плотность растительности на исследуемой территории и жизнеспособность насаждений в целом), то появляется возможность исследовать жизненной состояние растительности, в том числе и лесопатологическое и общее санитарное состояние под воздействием промышленного загрязнения. Растительность зеленых насаждений исследуемых городов можно охарактеризовать, как разреженную в периоды с минимальным значением NDVI (наблюдаются большие участки контуров дорог и других открытых территорий). Применение индекса NDVI для исследования зеленых насаждений городов, которые являются центрами промышленных производств необходимо осуществлять индивидуально по границе каждого населённое пункта, т.к. общие числовые характеристики канала не дают объективной картины на территории города. Поэтому следующим этапом исследования является инвентаризация зеленых насаждений городов наземным способом по утвержденным методикам. Но в таких городах, как Тулун, Саянск не проводилась наземная инвентаризация зеленых насаждений, поэтому первоначально возможно использовать данные ДЗЗ, которые доступны для любых территорий.