Assessment of pine aboveground biomass within Northern Steppe of Ukraine using Sentinel-2 data

Abstract

The present study offers the results of the spectral characteristics, calculated vegetative indices and biophysical parameters of pine stands of the Northern Steppe of Ukraine region obtained using Sentinel-2 data. For the development of regression models with the prediction of the biomass of pine forests using the obtained spectral characteristics, we used the results of the assessment of the aboveground biomass by the method of field surveys. The results revealed the highest correlation relations between the parameters of the general and trunk biomass with the normalised difference vegetation index (NDVI) and transformed vegetation index (TVI) vegetative indices and the fraction of absorbed photosynthetic active radiation (FARAP) and fraction of vegetation cover (FCOVER) biophysical parameters. To generate the models of determining the forest aboveground biomass (AGB), we used both the single- and two-factor models, the most optimum of which were those containing the NDVI predictor separately and in combination with the FCOVER predictor. The predicted values of the total AGB for the mentioned models equalled 32.5 to 236.3 and 39.9 to 253.4 t·ha–1. We performed mapping of the AGB of pine stands of the Northern Steppe using multi-spectral Sentinel-2 images, particularly the spectral characteristics of their derivatives (vegetative indices, biophysical parameters). This study demonstrated promising results for conducting an AGB-mapping of pine woods in the studied region using freeaccess resources. У даній роботі надані результати отриманих за допомогою Sentinеl-2 спектральних характеристик, розрахованих вегетаційних індексів та біофізичних параметрів соснових деревостанів регіону Північного Степу України. Для розробки регресійних моделей із прогнозування біомаси сосняків за допомогою отриманих спектральних характеристик використано результати оцінки надземної фітомаси методом польових досліджень. Результати показали, що найбільш високі кореляційні зв’язки спостерігаються між показниками загальної і стовбурової біомаси з вегетаційними індексами NDVI, TVI та біофізичними параметрами FARAP та FCOVER. Для побудови моделей визначення AGB використовували як одно-, так і двофакторні моделі, з яких найбільш оптимальними виявились ті, що містили у якості предикторів NDVI окремо та при поєднанні з FCOVER. Прогнозовані значення загальної AGB для зазначених моделей становили від 32.5 до 236.3 та від 39.9 до 253.4 т/га. Проведено картографування AGB соснових деревостанів Північного Степу за допомогою мультиспектральних знімків Sentinel-2, а саме отриманих спектральних характеристик їх похідних (вегетаційних індексів, біофізичних параметрів). Дане дослідження продемонструвало обнадійливі результати для впровадження лісового картування надземної фітомаси соснових насаджень у досліджуваному регіоні за допомогою ресурсів вільного доступу.