Российские ученые выяснили, как по спутниковым снимкам точнее всего определять пространственную структуру городской запечатанности. Это поможет создавать точные карты и следить за микроклиматом городской среды — поддерживать устойчивое развитие и даже делать прогнозы погоды. Результаты опубликованы в журнале International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation.
Городская запечатанность — покрытие городских почв непроницаемыми для влаги и растений материалами (асфальт, бетон и так далее). Ее характер влияет на микроклимат городов и природных областей. Чтобы следить за ее динамикой и пространственной неоднородностью, использовались доступные снимки спутников Sentinel-2. С этих спутников получают снимки в разных спектральных диапазонах с пространственным разрешением от 10 до 60 метров. Ученые интерпретируют и анализируют эти снимки по специальным спектральным индексам. Какие индексы лучше использовать в каждой конкретной задаче — не всегда известно. Например, для города, где почву закрывает непроницаемый асфальт или строения, общепринятых индексов нет. При этом точные карты с информацией о запечатанности почв важны для устойчивого городского планирования, а также для исследования и прогнозирования городского микроклимата. Российские специалисты определили два индекса, которые дают наиболее точные результаты.
«Есть несколько глобальных наборов данных с описанием городского непроницаемого покрова, претендующих на высокую точность. При этом все они дают разные оценки, если рассматривать множество городов одновременно. А для решения задач городского планирования и устойчивого развития требуется действительно высокая точность. Мы проанализировали ряд общепринятых спектральных индексов и их пороговых значений, чтобы выяснить, какие из них дают наиболее точные оценки. Также мы проверили ряд глобальных датасетов на предмет их применимости для изучения пространственной неоднородности городской запечатанности», — рассказал Юрий Дворников, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник Центра Smart Urban Nature РУДН.
Для эксперимента почвоведы выбрали 10 городов России из разных климатических поясов и изучили данные Sentinel-2, полученные в начале, середине и конце теплого сезона 2019/2020 годов. Рассчитав возможные индексы, авторы сравнили их с реальными данными о состоянии и типе поверхностей.
Почвоведы назвали наиболее подходящими два индекса, mNDVI и UCI, а также указали для них оптимальные пороговые значения. Первый — модифицированный нормализованный вегетационный индекс, который зависит от того, как растительный покров отражает и поглощает световые волны разной длины. Второй, композитный индекс застройки, позволяет улучшить спектральный сигнал от искусственных объектов. Коэффициент детерминации — то есть доля «объясненного» разброса — для этих двух индексов по сравнению с реальными данными составил 82% и более. Лишь один из существующих мировых датасетов показал сравнимый результат — остальные сработали хуже на несколько десятков процентов.
«Наши результаты можно применять для составления точных карт годовой и даже сезонной динамики городской запечатанности. Это важно в ситуациях, когда глобальные наборы данных дают большой разброс в десятки процентов между оценками», — считает Юрий Дворников.