Čergov Forest Monitor je nástroj vytvorený pre cergov.sk na automatické vyhľadávanie výrazných zmien lesných porastov pomocou satelitných snímok Sentinel-2. Jeho cieľom nie je označiť každú zmenu vegetácie, ale vybrať predovšetkým také plochy, pri ktorých údaje dostatočne presvedčivo ukazujú, že na mieste pôvodne existoval les a medzi dvoma sledovanými obdobiami na ňom nastala výrazná zmena.
Metodika je preto zámerne nastavená konzervatívne. Forest Monitor radšej nezachytí malý alebo nejednoznačný zásah, než aby mapu zapĺňal lúkami, poľnohospodárskymi plochami, sezónnymi zmenami vegetácie alebo inými javmi, ktoré môžu na satelitných snímkach vyzerať podobne ako úbytok lesa.
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.
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 dáta a doplnkové údaje poskytujú dostatočne silný signál výraznej zmeny predtým existujúceho lesného porastu.
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 súčasnou konfiguráciou zachytené. Rovnako sa 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 alebo samostatnú detekciu jemnejšieho preriedenia porastov.
Základný princíp však zostáva rovnaký:
satelitná snímka pred zmenou → satelitná snímka po zmene → detekcia výraznej zmeny → overenie, že išlo o les → výsledný polygon v mape.