Понимание состояния пастбищ в Кыргызстане с использованием спутниковых данных

Меган Стивенс, студентка физики из Southampton Университета, в рамках своей летней стажировки в eOsphere анализировала состояние пастбищ в Кыргызстане, используя спутниковые данные. Команда SIBELIUs считает, что Кыргызский куб данных будет полезен для многих приложений, и понимание условий пастбищ будет очень полезным для поддержки пастбищного сообщества, которое сталкивается со многими проблемами. Куб данных Кыргызстана содержит текущие и исторические спутниковые данные и производные экологические продукты, охватывающие всю страну, с разрешением до 10 метров.

Первой задачей Меган было создание обновленной карты Караганы Суусамырской долины. Суусамырская долина является важным летним пастбищем для многих скотоводов, а Карагана – это кусты с колючими листьями, которые не могут съесть домашний скот. В последние годы пастухи сообщают, что Карагана расширяет и сокращает пастбища, доступные для их скота, а Министерство сельского хозяйства, мелиорации земель и пищевой промышленности Кыргызстана подчеркнуло важность сдерживания быстро распространяющейся сорной Караганы. Целью работы Меган не обязательно было создание совершенного нового продукта, а скорее демонстрация того, чего можно достичь с помощью спутниковых данных, выполнив несколько простых логических шагов.

Суусамырская долина, где участки, выделенные темно-зеленым цветом, были определены как карагана. Цвета фона, варьирующиеся от коричневого до зеленого, показывают биомассу пастбищ, также полученную из спутниковых данных, где предполагается простая связь между надземной биомассой и спутниковым индексом NDVI.

Новая карта Караганы Суусамырской долины Меган основана на данных Sentinel-2, полученных в 2020 году, и показывает, где увеличилась Карагана с момента создания последней карты, которая была основана на данных за 2014 год. В целом две карты показывают чистое увеличение Караганы с 6,3% площади Суусамырской долины до 7,1% в период с 2014 по 2020 год. Однако из изучения двух карт очевидно, что при их создании использовались разные уровни точности, поэтому эти цифры нельзя напрямую сравнивать.
Чтобы создать карту Караганы, Меган сначала загрузила красные, зеленые и синие (RGB) спутниковые данные за июль 2020 года из Data Cube в формате GeoTiff, чтобы их можно было импортировать в систему QGIS. QGIS – это бесплатная географическая информационная система с открытым исходным кодом, которая поддерживает просмотр, редактирование и анализ геопространственных данных. Данные RGB обеспечивают изображение, подобное визуальной фотографии с 10-метровыми пикселями. Используя предыдущую карту Караганы, можно было примерно увидеть, как выглядит Карагана на спутниковом снимке. В целом он имеет более темно-зеленый цвет по сравнению с окружающим пастбищем. Однако более темные зеленые области также были похожи на регионы, которые ранее были идентифицированы как леса. Меган предположила, что предыдущие лесные регионы были правильными и что леса не сильно изменились с 2014 года.
Меган импортировала в QGIS спутниковые данные RGB Sentinel-2 2020 года вместе с предыдущей картой Караганы. Затем она использовала значок карандаша в QGIS, чтобы отредактировать новый шейп-файл в функции. Добавить многоугольник на основе последних спутниковых данных. Ключевой целью было установить постоянный уровень детализации на новой карте, чтобы были идентифицированы все значительные по размеру регионы Караганы, но без необходимости классификации каждого пикселя, что заняло бы очень много времени. Меган объясняет:
«Я определил Карагану в основном по цвету. Он был очень темным, и его часто легко отличать от светло-зеленого (хотя и темного) лесного кустарника, окружающего его. Было труднее определить, является ли что-то Карагана, когда были темно-зеленые пятна, окруженные коричневым, так как было трудно четко увидеть, насколько темно-зеленый это был, когда он не находился непосредственно рядом с другими оттенками зеленого.
Хорошо видно, что Карагана растет вдоль рек, поэтому, если были темно-зеленые участки без видимой окружающей воды, более вероятно, что это не Карагана. Было много темных пятен, похожих на Карагану, которые на самом деле были тенями облаков. Чтобы исключить это, я либо искал облако, которое создавало бы тень, поскольку это были белые пятна рядом с той же формой, либо я смотрел на растровое изображение, полученное в другом месяце, чтобы увидеть, осталось ли оно там или нет, поскольку движущиеся облака не будут отображаться на изображениях за разные месяца».
После того, как карта Караганы была завершена, Меган экспортировала новый шейп-файл и вычислила процентную долю Суусамырской долины, которая была покрыта Караганой, и как это изменилось с 2014 года. Используя подход, описанный здесь, Меган потратила около 25 часов на создание новой карты Караганы. До этого лета у Меган не было опыта работы со спутниковыми данными или системами ГИС, что показывает, что эти методы должны быть доступны широкому кругу людей, интересующихся пастбищами и сельским хозяйством.
Ключевым компонентом проекта SIBELIUs является его взаимодействие с животноводческим сообществом в пилотных регионах. Об этом сообщил глава пастбищного комитета Билалов Алибек Чахоевич из Жайылского района.
«Мы так рады, что с помощью этого проекта сможем безопасно пасти наш скот. За последние 5 лет мы начали испытывать серьезные проблемы с выпасом скота на Суусамырских пастбищах. Например, у нас был отравлен домашний скот из-за невкусной растительности, произрастающей с Караганой, которая вызывает диарею и яд, а земли чрезмерно используются, и нам пришлось искать другие более безопасные пастбища. Мы не знаем, как быстро найти более безопасное пастбище – нам приходилось проводить дни, но наш скот терял в весе и каждый день нуждался в свежей траве. Теперь с помощью спутниковых снимков мы можем увидеть более безопасные пастбища со свежей травой, поэтому мы сразу отправимся туда, и наш скот будет в безопасности и наберет хороший вес».
Поскольку снимки со спутника дают четкое изображение Караганы и показывают точную область ее роста, проект поможет местным муниципалитетам точно увидеть территорию Караганы в долине Суусамыр и увидеть эффективность прикладных мероприятий на пастбищах. Кроме того, свежая карта долины поможет службам более точно оценить свои потребности в селективных гербицидах, механическом и химическом применении в борьбе с Караганой, с экономив время и деньги.
Между тем Tian Shan Policy при Американском университете в Центральной Азии подчеркнул тот факт, что Карагана очень хороша для производства меда, и каждый год пчеловоды отправляются в Суусамырскую долину для опыления растений. Также было указано, что Карагана хороша для сохранения почвы в регионах с высокими склонами, чтобы предотвратить эрозию почвы, которая является серьезной проблемой в горном ландшафте Кыргызстана.

Меган Стивенс изучает физику в Университете Southampton и только что закончила третий курс. Ее обучение в eOsphere было организовано Юго-восточной физической сетью (SepNET), которая предоставляет около 80 стипендий в год, что дает студентам-физикам возможность получить ценный опыт работы.