Накануне Дня эколога (5 июня) мы решили провести анализ состояния растительности в Воронеже. Анализ проводился путем классификации (выделения) растительности на основе данных спутниковой съёмки и расчета вегетационных индексов.
Итоги расчетов представлены в виде веб-карты на портале mapdev.io
Проведения ГИС анализа осуществлялось на платформе QGIS.
В качестве исходных были использованы два снимка Sentinel-2A (от 7 августа 2019 года и 6 августа 2020) для определения лиственной растительности за 2019 – 2020 гг. и один зимний (от 08 декабря 2019 года) для распознавания хвойной растительности.
По снимкам были рассчитаны вегетационные индексы:
Нормализованный относительный вегетационный индекс (Normalized Differenced Vegetation Index) – NDVI, представляет собой показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Индекс хорошо коррелирует с объёмом биомассы и позволяет легко отделять растительность от прочих объектов.
Формула для расчета:
NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED)
, где NIR – значения сигнала в ближней инфракрасной зоне спектра,
RED – значения сигнала в красной области спектра.
Для расчёта по каналам снимков Sentinel-2 NDVI= (8 – 4) / (8 + 4)
Структурный индекс интенсивности пигментов (Structural Independent Pigment Index) – SIPI, показатель здоровья растительности. Он выражается в соотношении каротиноидов, антонцианов и хлорофилла. Чем больше красных и жёлтых пигментов и меньше зелёных в листьях растений, тем выше значение индекса, что свидетельствует о стрессе или усыхании растительности.
Формула для расчета:
SIPI = (NIR – BLUE) / (NIR + RED)
, где NIR – значения сигнала в ближней инфракрасной зоне спектра,
RED – значения сигнала в красной области спектра,
BLUE – значения сигнала в синей области спектра.
Для расчета по каналам Sentinel-2 SIPI = (8 – 2) / (8 – 4)
Биомасса растительности на основе индекса NDVI
Используя индекс NDVI, мы выделили зеленые насаждения по состоянию на 2020 год, которые впоследствии были векторизованы.
Площадь Воронежа = 59 895 га.
Площадь всех зеленых насаждений = 34 143 га.
Уровень озеленения = 57%.
Уровень озеленения - это отношение площади всех зеленых насаждений города к площади города.
Площадь лиственных лесных насаждений = 23 043.
Площадь хвойных лесных насаждений = 10 281.
Чтобы отбросить случайные выбросы мы рассчитали медианные значения индекса NDVI для каждого контура растительности и разделили их на 5 классов:
1) 0.295 – 0.536 – пониженная биомасса;
2) 0.536 – 0.585 – низкая биомасса;
3) 0.585 – 0.656 – средняя биомасса;
4) 0.656 – 0.771 – высокая биомасса;
5) 0.771 – 0.911 – повышенная биомасса.
В результате, мы получили, что площадь зеленых насаждений повышенной биомассы составляет 7 987 га, что составляет 23% от общей площади зеленых насаждений в городе.
Зеленые насаждения повышенной биомассы образуют в основном крупные массивы: Воронежская нагорная дубрава, Центральный парк, Ботанический сад ВГУ им. Козо-Полянского, лесопарковый участок НИИЛгиС, часть территории яблоневых садов, лесные насаждения вдоль рек Воронеж и Усманка. Но иногда встречаются и более мелкие массивы с высокой биомассой растений: Коминтерновское кладбище, Северный лесопарк (рядом с парком Северный лес), часть территории Лесопарка Оптимистов и некоторые другие.
Доля зеленых насаждений с пониженной биомассой составляет - 2 % (570 га).
Основные очаги растительности с низким значением NDVI сосредоточены на левом берегу. В Левобережном районе вокруг Березовского кладбища, около песчаного карьера «Никольское-3», между ул. Илюшина и рекой Песчанка, где образовалась стихийная свалка, а также в Железнодорожном районе севернее Борового.
Как правило, для хвойных деревьев, индекс NDVI оказывается ниже, чем у лиственных, расположенных в том же месте. Поэтому, чтобы более объективно определить состояние растительности, мы использовали индекс SIPI. Он показал меньшее различие для хвойных и лиственных деревьев, которые находятся в одинаковых условиях.
Динамика изменения состояния растительности на основе индекса SIPI
Мы рассчитали значения индекса SIPI для двух августовских снимков (7.08.2019 и 6.08.2020) и постарались проследить динамику изменения состояния растительности за год.
Так как высокие значения индекса являются показателем болезни растений, которая связана с потерей хлорофилла, то отрицательные значения на карте, указывают на то, что состояние растительности в этой точке в лучше (стало лучше в 2020 г., чем в 2019 г. ).Значения близкие к нулю говорят о стабильном состоянии растительности. Положительные значения свидетельствуют о ухудшении ситуации (усыхании) растений.
Общая площадь деградирующих зеленых насаждений с 2019 по 2020 г. по расчетам составляет 1 732 га (5% от общей площади зеленых насаждений).
Результаты расчетов динамики индекса SIPI мы перенесли на объекты Лесопаркового зеленого пояса.
В некоторых парках и скверах в первом полугодии 2020 года выполнялись работы по санитарной рубке, обрезке, посадке деревьев, работы по комплексному благоустройству. Например, на территории парка Мостозавода в начале лета 2020 года проводились работы по расчистке территории с целью дальнейшей реконструкции.
Для большинства парков и скверов, в которых выполнялись какие-либо работы связанные с вырубкой деревьев, как и ожидалось, индекс SIPI в августе 2020 г. стал хуже, чем в августе 2019 г. (значение индекса увеличилось).
Есть территории, где не удалось найти причины ухудшения состояния растительности: сквер Приозерный, сквер Романтика, сквер Чебышева, сквер Январский, сквер имени Н.Ф. Ватутина, Аллея Славы, участки Северного леса, некоторые участки Сомовского и Новоусманского лесничеств.
Несколько улучшилось состояние растительности в 2020 г. относительно 2019: сквер Энергия, сквер Программистов, сквер Кольцовский, сквер ДК Карла Маркса, сквер им. Пушкина и некоторые другие.
При выполнении работы были использованы:
Авторы: Юлия Проскурякова, Алексей Юдин
Оформление веб-карты: Ольга Лихтенберг
