Анализ временных рядов Landsat для оценки последствий засухи и вспышки короеда-типографа в смешанном лесу Московского региона

Многолетние временные ряды спутниковых данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяют оценивать пространственно-временную динамику лесных экосистем и выявлять последствия природных нарушений, которые трудно оценить только по локальным наземным наблюдениям (Крылов и др., 2011; Meng et al., 2020). Цель работы состояла в ретроспективной оценке динамики запасов стволовой древесины в смешанном лесу Звенигородской биостанции МГУ, подвергшемся воздействию засухи и вспышки короеда-типографа, на основе данных Landsat с наземной верификацией.
Наземные измерения запасов древесины (V) выполнены на трех участках мониторинга — ельнике, березняке и липняке — в 2009, 2016 или 2017 и 2023 годах. Для территории ООПТ сформирован ряд безоблачных летних композитов Landsat за 1991–2025 годы. Рассчитаны десять спектральных индексов (СИ), а наименьшие ошибки регрессионных моделей их связи с наземными запасами древесины показали NDMI, GVMI и TCap. Понимая ограниченность наземных данных, использованных для верификации ДЗЗ, мы применили: 1) для параметризации регрессионных зависимостей объединенную пространственно-временную выборку из трех участков и трех сроков наблюдений (n = 9); 2) ансамблевый подход — для каждого года V независимо оценивали по трем спектральным индексам, после чего итоговые значения агрегировали в виде медианы; 3) анализ временных рядов включал выявление резких изменений V («переломов») и долговременных трендов; при итоговой классификации выборки не пересекались в пространстве, поскольку при одновременном выявлении обоих типов изменений пиксель относили к «переломам». Статистически значимые различия до и после «переломов» V оценивали при помощи теста Манна–Уитни (p < 0,05), тренды — путем расчета непараметрического наклона Сена (Sen’s slope), а их значимость — с помощью теста Кендалла (p < 0,05). Временные ряды, не прошедшие формальные тесты, в дальнейшем анализе не рассматривались.
Медианный запас стволовой древесины на всей территории ООПТ снизился с 423 м3/га в 1991 году до 338 м3/га в 2025 году. Статистически значимые изменения выявлены на 60% территории. «Переломы» охватили 48% площади ООПТ и преимущественно сопровождались снижением запасов. На участках с отрицательными «переломами» медианное сокращение запасов составило 161 м3/га. Годы статистически значимых «переломов» наиболее часто приходились на период 2011–2013 гг., то есть на период после аномальной засухи 2010 года и начала вспышки короеда-типографа. На наземных участках ельника и липняка выявлено резкое снижение запасов, тогда как березово-еловый участок характеризовался значительно большей устойчивостью и/или локальным ростом, что согласуется с данными наземных исследований (Уланова, Каплевский, 2024).
Сопоставление спутниковых и наземных рядов подтвердило согласованность выявленной динамики: корреляция временного ряда падения запасов с данными ельника составила 0,91, а с данными липняка — 0,95. Полученные результаты показывают, что ансамблевая оценка на основе спектральных индексов Landsat в сочетании с формальным анализом временных рядов позволяет выявлять и картировать зоны катастрофических изменений лесного покрова и восстанавливать их временную привязку. Подход может применяться для ретроспективного мониторинга лесных нарушений и пространственной оценки их последствий при наличии наземной верификации.

Разработка методики и пространственно-временная интерпретация полученных данных выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 25-17-20042 «Разработка системы комплексной оценки состояния природных сред с учетом целей низкоуглеродного развития ХМАО-Югры: БПЛА, ГИС, нейронные сети и наземная верификация».