News

Гадание на листьях

Nathan Queloz

Опубликовано: 09/04/2020

Автор: Елена Ростовская

Российские и британские ученые нашли подход к прогнозированию состояния северных лесов. Уникальный программный пакет не имеет аналогов в мире – состояние лесов изучают из космоса по листьям. Комплексная оценка естественных изменений с помощью дистанционного спутникового зондирования – интенсивно развивающаяся область международных исследований.

Леса стратегического значения

Леса – настоящий стратегический запас России: они составляют пятую часть всего зеленого покрова планеты. При этом с каждым годом «зеленого золота» во всем мире становится меньше. Это тревожный факт, так как устойчивость лесных экосистем – важный фактор глобальной экосистемной (и не только) стабильности.

Изменение климата напрямую влияет на состояние лесов: рост среднегодовых температур, изменение количества осадков, увеличение количества и интенсивности экстремальных погодных явлений оказывают негативное влияние на лес. При этом деревья поглощают и удерживают углекислый газ, они помогают смягчить последствия климатических изменений, поглощая СО2 из атмосферы и превращая его в результате процесса фотосинтеза в углерод, который затем «хранится» в древесине, ветвях и корнях. Согласно исследованиям Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), леса во всем мире, включая лесные почвы, содержат в общей сложности свыше одного триллиона тонн углерода, что в два раза превышает количество углекислого газа в атмосфере.

Но легкими планеты являются далеко не все леса: вырубленные и сожженные деревья служат источником углекислого газа, способствующего усилению парникового эффекта. Ежегодно в результате уничтожения лесов в атмосферу выбрасывается почти 6 млрд тонн углекислого газа. Для сохранения углеродного баланса планеты и охраны окружающей среды важно предупредить его попадание в атмосферу, считают представители ФАО.

Эксперты уверены, что защита лесов – одно из самых доступных средств борьбы с изменением климата. Лесные массивы поглощают до 2 млрд тонн диоксида углерода в год. В ООН подсчитали, что, если реализовать весь связанный с охраной лесов комплекс мер по борьбе с изменением климата, это позволит существенно сократить вредные выбросы в атмосферу и удержать глобальное потепление в пределах двух градусов по Цельсию.

В ООН уделяют пристальное внимание этому вопросу. Впервые проблему лесов включили в международную повестку дня в 1992 году на саммите в Бразилии. Тогда были подписаны основополагающие документы, предусматривающие совместные меры по сохранению лесных массивов.

Северные леса и изменение климата

Международное сообщество довольно давно выразило заинтересовалось арктическими исследованиями и природой севера России. «Усовершенствованные методики управления лесными ресурсами играют ключевую роль в поисках путей решения проблемы изменения климата», – уверены авторы масштабного проекта «Многоплатформенный дистанционный мониторинг воздействия изменения климата на северные леса России».

Инициатором проведения исследования является географический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В проекте, реализуемом с 2000 года, участвуют также Институт космических исследований Российской академии наук, Институт географии Российской академии наук, Кембриджский университет (Великобритания) и Британская антарктическая служба. Исследование проводится при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.

Группа российских и британских ученых уже изучила лесные массивы Кольского полуострова и Якутии. В зону внимания попали в первую очередь переходные зоны «лес-тундра».

Для реализации проекта исследователи разработали и апробируют технологии дистанционной оценки. Значительная часть исследований динамики фитомассы северных лесов проводится с помощью данных с космических спутников Terra и Aqua.

Организован и сбор первичных данных: ученые измеряют высоту деревьев и диаметр их стволов, фотографируют земную поверхность с помощью широкоугольной камеры и создают трехмерные модели деревьев с помощью беспилотников. В прошлом году исследователи из Московского государственного университета организовали экспедицию и полевую практику на Кольском полуострове для студентов и международную полевую школу в Якутии.

Комплекс проведенных в ходе исследования мероприятий включает в себя картирование динамики листвы и фитомассы древесины с использованием спутниковых изображений, составление тематических карт, сбор характеристик древостоев по данным съемки дронов, масштабирование информации от наземных и беспилотных до спутниковых съемок и многое другое. Уже сформированы информационные ресурсы, созданы геоинформационные системы (ГИС) и базы данных по ряду направлений исследования.

Свои выводы ученые строят и на основе многолетнего анализа временных рядов спутниковых изображений. «В настоящее время мы уже разработали методы мониторинга сезонной фенологии и многолетней динамики фитомассы листвы и древесины северных лесов России», – рассказывает руководитель проекта, доцент географического факультета МГУ Ольга Тутубалина.

Кроме того, исследователи создали пилотный программный пакет с картами, основанными на доказанных опытным путем взаимосвязях в различных типах лесов с использованием целого комплекса данных о фитомассе. В рамках проекта ученые впервые сравнили карты индекса поверхности листьев (Leaf Area Index, LAI) с картами накопленных температур за период роста растений, полученными на основе банка климатических данных. «Такой программный пакет не имеет аналогов в мире», – утверждают авторы проекта.

«Мы определили тенденцию увеличения LAI в течение более чем 18 лет исследований – в начале весны и осени. Мы расширили базу фактических данных характеристик лесных насаждений на 34 пробных площадях в центре Кольского полуострова и на 11 испытательных площадках в Центральной Якутии. Кроме того, мы подали заявку на государственную регистрацию базы данных «Библиотека спектральных характеристик растений Севера (центр Кольского полуострова)», – говорит Ольга Тутубалина.

Итоговые данные проекта пока не представлены, но предполагается, что его результатом станут технологические решения в области картографирования структуры лесов по космическим снимкам высокого разрешения, решения в области картографирования динамики биофизических параметров лесов по космическим снимкам MODIS и статистического анализа ее взаимосвязи с региональной изменчивостью климата.

В 2020 году исследователи планируют завершить разработку программного пакета для дистанционного мониторинга состояния северных лесов России. Результаты массовой обработки данных будут доступны пользователям системы ВЕГА-Science – элемента Центра коллективного использования систем архивации, обработки и анализа данных спутниковых наблюдений Института космических исследований Российской академии Наук.

Космос нам поможет

Дистанционное зондирование Земли из космоса – интенсивно развивающаяся сегодня область международных исследований. С каждым годом спрос на такие исследования постоянно растет. Из-за катастрофических пожаров во всем мире особое значение приобретают мониторинг и прогнозирование лесных пожаров, которые губят ежегодно более 3 млн га леса по всему миру.

К примеру, на основании спутниковых данных было выявлено, что засуха летом 2010 года в европейской части России привела к аномальным изменениям сельскохозяйственных посевов. При расчетах использовался вегетационный индекс NDVI, характеризующий объем зеленой биомассы растений. Полученные в результате дистанционного зондирования данные также показали, что возникла реальная угроза массового усыхания лесных массивов, были спрогнозированы новые пожары, спровоцированные преждевременным опаданием сухой листвы и накоплением лесных горючих материалов. Только спутниковые данные позволили оценить масштабы наблюдаемого явления, охватившего беспрецедентно большие площади.

Перспективными также являются разработки в области дистанционной диагностики тропических циклонов и их моделирования, оценка сейсмической активности. Использование данных космических наблюдений позволяет снизить риски воздействия экстремальных природных явлений и минимизировать их последствия.

Цифорвая обработка полученных при помощи радаров данных и построение трехмерных цифровых моделей позволяют оперативно оценивать границы природных явлений и проблемных зон, анализируя большие объемы поступающей информации в режиме реального времени. Спутниковые исследования позволяют отслеживать изменения с филигранной точностью на больших площадях.

Спрос на космические снимки и их дешифровку растет в геометрической прогрессии. Сегодня в России и в мире дистанционное зондирование интересует не только различные министерства и ведомства, но и руководителей регионов, поскольку за тушение пожаров, эвакуацию населения и сельскохозяйственные угодья во многих странах отвечают именно они.