Čergov Forest Monitor je nástroj vytvorený pre cergov.sk na automatické sledovanie výrazných zmien lesných porastov. Kombinuje dve navzájom sa dopĺňajúce metódy: medziročné porovnávanie optických snímok Sentinel-2 a priebežné sledovanie aktuálnych zmien pomocou radarových dát Sentinel-1 spracovaných systémom RADD Europe.
Medziročná časť odpovedá najmä na otázku čo sa medzi dvoma sledovanými obdobiami zmenilo. Aktuálna radarová časť sa snaží zachytiť kde sa zmena objavila a ako sa jej rozsah ďalej vyvíja. Obe vrstvy sú oddelené a používajú odlišnú metodiku, no vo výsledku sa navzájom dopĺňajú.
Cieľom Forest Monitora nie je označiť každú zmenu vegetácie. Pri medziročnom detektore je metodika zámerne nastavená konzervatívne a uprednostňuje plochy, pri ktorých údaje dostatočne presvedčivo ukazujú, že na mieste pôvodne existoval les a medzi dvoma sledovanými obdobiami na ňom nastala výrazná zmena.
Medziročné porovnanie satelitných snímok
Základom analýzy sú dve snímky Sentinel-2 zachytávajúce rovnaké územie v dvoch rôznych obdobiach.
Pri porovnávaní sa podľa možnosti používajú snímky z podobnej časti roka. Tým sa obmedzuje vplyv prirodzených sezónnych rozdielov vegetácie. Pred samotnou analýzou sa kontroluje aj použiteľnosť snímok a odstraňujú sa pixely ovplyvnené oblačnosťou, tieňmi oblakov alebo chýbajúcimi dátami. Forest Monitor zároveň kontroluje aj bezprostredné okolie kandidátov a odmieta plochy, ktoré sú príliš výrazne ovplyvnené susednými neplatnými alebo oblačnými pixelmi.
Pre každý platný pixel sa následne porovnáva spektrálna odozva vegetácie pred zmenou a po nej.
Forest Monitor pritom pracuje s viacerými vlastnosťami satelitného obrazu súčasne. Sleduje zmeny množstva zelenej vegetácie, vlhkosti vegetácie a celkového spektrálneho prejavu lesného porastu. Kombinácia viacerých ukazovateľov je spoľahlivejšia než rozhodovanie podľa jediného z nich.
Hľadanie súvislej zmeny
Jednotlivý zmenený pixel ešte nepredstavuje lesný zásah. Forest Monitor preto nehľadá izolované body, ale súvislé skupiny pixelov, ktoré vykazujú podobnú zmenu.
Detekcia používa princíp silnejších jadrových pixelov a miernejšie zmeneného okolia. Výrazne zmenené pixely vytvoria jadro kandidáta a k nemu sa môžu pripojiť susedné pixely s o niečo slabšou, ale stále konzistentnou zmenou.
Takto je možné zachytiť prirodzený tvar zasiahnutej plochy bez toho, aby bolo potrebné vyžadovať rovnako silnú zmenu v každom jednom pixeli.
Zároveň sa odstraňujú veľmi malé komponenty. V aktuálnej produkčnej konfigurácii Forest Monitora je minimálna plocha kandidáta približne 0,25 hektára, čo pri použitom 10-metrovom rastri zodpovedá najmenej 25 pixelom.
Toto obmedzenie je zámerné. Veľmi malé zmeny sú pri rozlíšení Sentinel-2 podstatne náchylnejšie na nepresnosti, okrajové efekty a zmeny spôsobené jednotlivými stromami alebo lesnými cestami.
Bola tam skutočne lesná plocha?
Výrazná zmena vegetácie ešte automaticky neznamená zmenu lesa. Podobný signál môže vzniknúť napríklad na lúke po kosení alebo na poľnohospodárskej ploche.
Preto Forest Monitor používa nezávislú kontrolu historického stromového pokryvu.
Na tento účel využíva údaje Tree Cover Density programu Copernicus Land Monitoring Service. Táto vrstva udáva hustotu stromového pokryvu a umožňuje spätne overiť, či sa detegovaná zmena nachádza na ploche, ktorá bola pred sledovaným obdobím skutočne pokrytá stromami. Pre každý sledovaný interval sa používa posledná vhodná vrstva Tree Cover Density z obdobia pred začiatkom porovnávania.
Forest Monitor neposudzuje iba jeden bod, ale celý kandidátny polygon.
V aktuálnom nastavení musí mať najmenej 75 % plochy kandidáta historický stromový pokryv aspoň 30 % a medián Tree Cover Density celého kandidáta musí dosahovať najmenej 60 %.
Takto sa z výsledkov odstráni veľká časť zmien na lúkach, poliach, otvorených plochách alebo na hraniciach lesa.
Sila detekcie
Kandidáti, ktorí prejdú kontrolou lesa, sa ešte hodnotia podľa sily a konzistentnosti spektrálnej zmeny.
Forest Monitor rozlišuje viac úrovní dôveryhodnosti:
Very strong – veľmi výrazná a konzistentná zmena.
Strong – výrazná zmena s dostatočne silným súborom indícií.
Review – zmena, ktorá sama osebe nespĺňa podmienky kategórie strong, ale môže predstavovať reálnu zmenu lesného porastu.
Do výslednej vrstvy sa štandardne zaraďujú kandidáti kategórií very strong a strong.
Aktuálna verzia detektora však používa aj samostatnú vetvu pre miernejšie, ale veľmi konzistentné zmeny korunového zápoja. Kandidát kategórie review sa môže zaradiť do výsledku iba vtedy, ak súčasne spĺňa prísnejšie doplnkové podmienky – nachádza sa v poraste s vysokou historickou hustotou stromového pokryvu, jeho okolie nie je ovplyvnené oblačnosťou alebo inými neplatnými pixelmi a zmena je dostatočne výrazná vo viacerých spektrálnych ukazovateľoch.
Táto vetva umožňuje zachytiť aj niektoré reálne zásahy, ktorých spektrálna odozva je miernejšia, bez výrazného zvýšenia počtu falošných detekcií.
Aj naďalej teda platí konzervatívny princíp systému: slabé alebo nejednoznačné kandidáty sa do výslednej vrstvy nezaraďujú.
Výsledný polygon
Každý kandidát, ktorý prejde všetkými kontrolami, sa prevedie na geografický polygon.
Polygon zachováva tvar súvislej plochy detegovanej zo satelitných dát a je publikovaný vo formáte GeoJSON. Vďaka tomu ho možno priamo zobrazovať v interaktívnej mape cergov.sk.
Používateľ tak nevidí iba bod označujúci približné miesto zmeny, ale priamo obrys plochy, ktorú Forest Monitor identifikoval.
Veľkou výhodou je možnosť kombinovať tieto polygony s porovnávacou mapou Sentinel-2. Rovnaký obrys zostáva zobrazený nad snímkou pred zmenou aj po zmene a pomocou posuvníka možno okamžite vizuálne porovnať stav lesa v oboch obdobiach.
Aktuálne zmeny lesa – RADD Europe a Sentinel-1
Medziročné porovnanie Sentinel-2 poskytuje presný optický obraz zmeny, ale samo osebe neurčuje, kedy počas roka zásah vznikol. Preto Čergov Forest Monitor používa aj samostatnú vrstvu aktuálnych zmien založenú na systéme RADD Europe, ktorý vyhodnocuje radarové snímky družíc Sentinel-1.
Radarové meranie nie je závislé od denného svetla a je podstatne menej obmedzené oblačnosťou než optické snímky. Vďaka tomu je vhodné na priebežné sledovanie zmien počas celého roka vrátane období, keď je získanie kvalitnej bezoblačnej snímky Sentinel-2 problematické.
RADD Europe vyhľadáva radarový signál zodpovedajúci narušeniu lesného porastu a rozlišuje predbežné a potvrdené záchyty. Forest Monitor tieto radarové pixely ďalej spracúva do samostatných udalostí, ktoré možno sledovať v čase.
Z radarových záchytov na jednu lokalitu
Jedna reálna zmena lesa sa nemusí v radarových dátach objaviť naraz ako jediný súvislý celok. Môže pribúdať postupne alebo byť rozdelená na viac blízkych komponentov.
Čergov Forest Monitor preto malé radarové komponenty najprv zachováva a až následne ich priestorovo zoskupuje. V aktuálnej konfigurácii sa komponenty vzdialené najviac 20 metrov spájajú do jednej udalosti. Tým sa znižuje riziko, že jedna postupne sa rozširujúca zmena bude prezentovaná ako viac nezávislých lokalít.
Plocha udalosti sa pritom počíta zo skutočnej plochy radarových alertových pixelov. Nezväčšuje sa o plochu medzier alebo pomocných bufferov použitých pri zlučovaní komponentov.
Každá takto vytvorená udalosť dostáva stabilný identifikátor. Ak sa v ďalšej verzii radarových dát lokalita rozšíri alebo sa predbežný záchyt zmení na potvrdený, Forest Monitor pokračuje v sledovaní tej istej udalosti namiesto vytvorenia novej.
Časový priebeh aktuálnej zmeny
Radarové dáta obsahujú pre jednotlivé pixely dátum ich prvého záchytu. Forest Monitor z týchto údajov skladá časový priebeh celej lokality.
Pri každej udalosti sa eviduje prvý radarový záchyt, posledný dátum, keď pribudla ďalšia detegovaná plocha, a kumulatívny rast rozlohy v čase. V prezentácii sa preto dá zobraziť graf, ktorý ukazuje, ako sa detegovaná plocha postupne zväčšovala.
Prvý radarový záchyt však nemožno interpretovať ako presný okamih začiatku ťažby alebo iného zásahu. Je to prvý dátum, keď sa zmena v radarových dátach prejavila spôsobom, ktorý systém zachytil.
Ktoré lokality sa zobrazujú ako aktuálne
Pre verejnú vrstvu aktuálnych zmien sa používajú potvrdené udalosti s detegovanou plochou najmenej 0,10 hektára. Menšie komponenty sa však môžu interne zachovať počas spracovania, aby sa nestratil začiatok udalosti, ktorá sa neskôr rozšíri na väčšiu plochu.
Lokalita zostáva v sekcii aktuálnych zmien dovtedy, kým na nej bola zaznamenaná aktivita v posledných 30 dňoch. Za aktivitu sa považuje vznik novej udalosti, rozšírenie jej plochy alebo potvrdenie predbežnej radarovej detekcie. Ak sa počas 30 dní nič nové neobjaví, lokalita z aktuálneho prehľadu vypadne, jej história však zostáva zachovaná v registri Forest Monitora.
Takto vzniká vrstva, ktorá neukazuje všetky radarové záchyty za celý rok, ale iba lokality, na ktorých sa v nedávnom období niečo menilo.
Overenie výsledkov
Metodika bola pri vývoji testovaná na konkrétnych známych zmenách lesa aj na plochách, ktoré mali byť správne odmietnuté, napríklad na lúkach.
Jedným z hlavných validačných období bolo porovnanie snímok z 3. júna 2022 a 3. júna 2023.
V aktuálnej produkčnej konfigurácii detektora 1.3.0 zostalo po všetkých filtroch 67 kandidátov s celkovou detegovanou plochou 65,56 hektára. Z nich bolo 15 zaradených ako very strong, 49 ako strong a 3 ako review, ktoré prešli prísnejšími podmienkami vetvy určenej na zachytenie miernejších, ale konzistentných zmien korunového zápoja.
Výsledné polygony boli následne vizuálne kontrolované priamo v porovnávacej Sentinel-2 mape. Obrysy detegovaných plôch sa veľmi dobre zhodovali s miestami, na ktorých bola medzi oboma snímkami viditeľná výrazná zmena lesného porastu.
Rovnaký postup bol následne použitý aj na ďalších medziročných porovnaniach.
Čo Forest Monitor nehovorí
Forest Monitor zisťuje zmenu lesného porastu. Neurčuje jej príčinu.
Z výsledku preto nemožno automaticky usudzovať, či išlo o plánovanú ťažbu, kalamitnú ťažbu, vetrovú alebo inú prírodnú udalosť, prípadne či bol zásah vykonaný v súlade s právnymi predpismi.
Polygon Forest Monitora predstavuje miesto, kde satelitné alebo radarové dáta a doplnkové údaje poskytujú dostatočne silný signál zmeny lesného porastu.
Pri aktuálnych radarových lokalitách Forest Monitor nehovorí, že na danom mieste určite prebieha ťažba. Radarový signál môže súvisieť aj s iným výrazným narušením porastu. Rovnako údaj „prvý radarový záchyt“ nie je presným dátumom začiatku zásahu, ale prvým dátumom, keď sa zmena stala radarovo detegovateľnou.
Systém je zároveň zámerne zameraný najmä na výraznejšie zmeny korunového zápoja. Jemnejšie prebierky alebo čiastočná ťažba, pri ktorej na ploche zostáva významná časť stromov, nemusia byť zachytené spoľahlivo. Pri medziročnej Sentinel-2 detekcii sa navyše do výsledkov zámerne nedostávajú veľmi malé zásahy pod nastavenou minimálnou plochou.
Metodika sa môže ďalej vyvíjať
Forest Monitor je navrhnutý ako dlhodobo rozvíjaný nástroj. Ďalšie verzie môžu využívať nové referenčné vrstvy, viac časových období, presnejšie prepájanie radarových a optických pozorovaní alebo samostatnú detekciu jemnejšieho preriedenia porastov.
Sentinel-1 a Sentinel-2 sa pritom nemajú navzájom nahrádzať. Radarová vrstva je vhodná na priebežné zachytenie času a vývoja udalosti, zatiaľ čo kvalitná optická snímka Sentinel-2 umožňuje zmenu neskôr vizuálne overiť a presnejšie posúdiť jej podobu.
Základné princípy oboch vetiev zostávajú:
Medziročné zmeny: Sentinel-2 pred → Sentinel-2 po → detekcia výraznej zmeny → overenie, že išlo o les → výsledný polygon.
Aktuálne zmeny: RADD Europe / Sentinel-1 → radarový záchyt → zoskupenie do udalosti → sledovanie rastu a potvrdenia → aktívna lokalita.
Použité zdroje dát
- Copernicus Sentinel-2. Použité na medziročné porovnanie satelitných snímok a detekciu výrazných zmien lesného porastu. Lokálne spracovanie a analýza: cergov.sk.
- RADD Europe (Sentinel-1). Radarové dáta Sentinel-1 a systém RADD Europe sú použité na priebežné sledovanie aktuálnych zmien lesného porastu počas roka, určenie prvého radarového záchytu a sledovanie vývoja rozsahu detegovanej zmeny v čase. Ďalšie priestorové spracovanie, zlučovanie detekcií a prezentácia výsledkov: cergov.sk.
- Copernicus Land Monitoring Service (CLMS), Tree Cover Density. Použité ako referenčná vrstva na overenie lesného charakteru detegovaných plôch. Lokálne spracovanie a interpretácia: cergov.sk.
- Národné lesnícke centrum SR (NLC), JPRL a opis lesných porastov. Použité na doplnenie historických informácií o lesných porastoch v detegovaných lokalitách. Lokálne spracovanie a interpretácia: cergov.sk.
- Čergov Forest Monitor. Vlastné spracovanie a prepájanie satelitných, radarových, lesníckych a priestorových dát, detekčný algoritmus medziročných zmien, sledovanie radarových udalostí a prezentácia výsledkov: cergov.sk.