Применение аэро- и космических снимков при почвенном картографировании

Лекция №13 ПРИМЕНЕНИЕ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ПРИ ПОЧВЕННОМ КАРТОГРАФИРОВАНИИ Основные вопросы: 1. Применение аэро- и космической съемки при почвенном картографировании. 2. Картографирование эрозионных почв. В современных почвенно-географических исследованиях аэрокосмические (дистанционные) методы стали обязательным элементом анализа почвенного покрова. Использование этих методов, применение новых видов материалов аэрокосмической съемки, в том числе многозональных аэро- и космических снимков, открывает дополнительные возможности получения информации о почвенном покрове, необходимой для изучения и учета почвенных ресурсов страны. Детальные почвенные карты, показывающие мельчайшие неоднородности почвенного покрова, составляются в масштабах 1:200–1:5000 выборочно на ограниченные территории при высокой комплексности почвенного покрова. Наиболее мелкая природная неоднородность (комплексность) почвенного покрова характеризуется чередованием участков различных почв размером несколько метров в поперечнике. Принято, что на карте минимальный размер контура удлиненной конфигурации равен 102 мм, а округлой конфигурации – около 5 мм в поперечнике. Поэтому для того чтобы более четко отразить на карте комплексный почвенный покров, необходим масштаб не мельче 1:500. При этом масштабе округлый участок диаметром в натуре 3 м на карте будет иметь диаметр 6 мм. Масштабы 1:2000–1:5000 позволяют отражать на карте почвенные контуры диаметром 10–25 м в натуре или около 5 мм на карте. Детальные почвенные карты составляют на территориях опытных станций и стационаров научно-исследовательских учреждений, на плантациях многолетних и технических культур. Их используют при многолетних опытах, проектировании орошения и осушения земель, выборе участков под плодовые культуры и лесопитомники, при строительстве стадионов (футбольных полей) и других спортивных газонов. Крупномасштабные почвенные карты составляют в масштабе от; 1:5000 до 1: 50000. Картографирование почв в масштабах 1:10 000–1: 50000 позволяет свободно выделять обособленные почвенные: контуры с минимальными размерами, равными (соответственно масштабу) 0,25–1,5 га (20–25 мм2 на карте). Такой размер минимальных контуров не позволяет подробно передавать на карте мельчайшую неоднородность почвенного покрова. Однако более крупные изменения почвенного покрова (в большинстве случаев связанные с мезорельефом) вполне раскрываются на крупномасштабных почвенных картах. Крупномасштабные почвенные карты – важнейший тип почвенных карт, широко используемых при внутрихозяйственном землеустройстве, разработке систем агрохозяйственных мероприятий и планировании мелиоративных работ. Такие карты составлялись на территории бывших совхозов и колхозов нашей страны. Они информативны и позволяют судить о генезисе почв, их сопряженности в ландшафте, выявить и научно обосновать структуру почвенного покрова. Крупномасштабные почвенные карты обычно сопровождаются различными агрономическими картограммами. Почвы как поверхностный слой земной оболочки особенно четко синтезируют взаимосвязи природных факторов. Генетическое почвоведение еще в первоначальном развитии позволяло выявить природную зональность. В современном почвенном картографировании генетический принцип, основанный на комплексном изучении факторов почвообразования и принципах размещения почв, проявляется еще более четко. Исследование почвенного покрова и картографирование почв слагаются из трех периодов – подготовительного, полевого и камерального. Подготовительный период, непродолжительный по времени, обеспечивает успешное проведение предстоящих почвенных исследований. Подготовка касается программных, методических, организационных и технических вопросов, от своевременного и правильного разрешения которых во многом зависит успех полевых работ. Полевой период почвенных исследований – основной по значению и наиболее сложный по выполнению. В полевой период почвовед должен сделать все необходимые наблюдения, изучить и описать почвы, собрать необходимые образцы почв, почвообразующих пород и растений для последующего их просмотра и анализа, картографировать почвенный покров, т.е. составить полевую (предварительную) почвенную карту. Камеральный период служит для тщательной проверки всех собранных полевых материалов, лабораторных исследований и анализа всего собранного материала. Составляется окончательный вариант почвенной карты, к которой пишется объяснительная записка. Существует Докучаевский метод картографии почв, отражающий особенности почвенного покрова на базе познания закономерных генетических связей между почвами и всеми другими элементами географической среды. По этой причине картография почв неотделима от изучения условий или факторов почвообразования, включая влияние хозяйственной деятельности человека. Природные условия почвообразования исследуют в какой-либо степени подробности в течение всех трех рабочих периодов. Программа изучения природных факторов почвообразования при почвенном картировании состоит из следующих разделов: 1. Геологическое строение, коренные (подстилающие) и почвообразующие породы. 2. Геоморфологическая характеристика территории. 3. Гидрогеологические условия. 4. Климат. 5. Растительность и животные организмы в почве. 6. Хозяйственная деятельность человека. Каждый из этих разделов отражается в составляемых почвенных или тематических картах. Современный уровень использования компьютерной техники и программ для ГИС практически дают неограниченные возможности по составлению почвенных и тематических карт самых разнообразных по задачам и масштабам, использованию космической и интернетовской информации. При этом во всех случаях остается проблема дешифрирования почвенного покрова, решаемая с применением наземных почвенных исследований, которые обеспечивают достоверность данных, особенно если они имеют детальный характер (картирование микроструктур почвенного покрова и элементарных почвенных ареалов). Для дешифрирования почвенных контуров различного гранулометрического состава применяются программные комплексы ENVI, Photoshop. С использованием наложения создается многослойная локальная ГИС. В результате уточняются границы между почвенными разностями на территории. Яркой чертой почвенного покрова является комплексность, связанная с развитым микрорельефом, где незначительные различия в перераспределении осадков оказывают существенное влияние на растительный покров, солевой режим почв и процесс гумификации. Рассмотрим пример по исследованию и картографированию почвы. Космоснимок участка, на котором проводились полевые работы по исследованию и картографированию почвы, представлен на рис. 80. В ходе полевых исследований были изучены растительные группировки всех основных типов почв региона исследования: песчаных пустынных, бурых пустынных и солонцов. Обработанные в лабораторных условиях материалы стали основой для проведения картографических работ. По результатам исследований распределения почв по гранулометрическому составу в регионе исследований разработана ГИС (рис. 81). ГИС многослойна, кроме слоев, отображающих основные группы почв по гранулометрическому составу, она содержит геоинформационный слой, характеризующий распределение очагов опустынивания. При дешифрировании изучаемые и картографируемые объекты опознаются в первую очередь по тем признакам, которые непосредственно отображаются на снимках, они получили название прямых дешифровочных признаков. К ним относятся форма, размер, тон, цвет. Надёжными косвенными признаками или индикаторами наличия смытых почв являются морфометрические особенности рельефа: преобладающие формы рельефа, общая расчленённость территории, крутизна и экспозиция склонов. Состояние растительного покрова также выступает в качестве достоверного индикатора наличия или отсутствия эрозионных процессов и интенсивности их развития. На полях с развитыми посевами на смытость почв может указывать состояние изреженности посевов. Почвы склонов, наиболее подверженных процессам эрозии, характеризуются большими величинами отражательной способности и насыщенным тоном фотоизображения, по которому отчетливо можно увидеть участки, подверженные процессам эрозии. Развитие эрозионных процессов имеет четкие дешифровочные признаки, позволяющие точно идентифицировать их на летних космоснимках (рис. 82). Интенсивные процессы смыва почвы и ее выноса приводят к сильному угнетению и гибели культурных растений, обнажению подстилающих пород (рис. 83). Для разработки дешифровочных признаков развития почвенно-эрозионных процессов используется метод ландшафтно-индикационного дешифрирования космических снимков. Спектрозональные космические снимки позволяют выявлять зоны потенциального возникновения эрозионных процессов в зависимости от характера рельефа, геоморфологического строения территории и направленности геохимических потоков. В основе почвенно-эрозионного дешифрирования снимков лежит их тематическая классификация с использованием программного обеспечения Erdas Imagine по выявлению почвенных контуров (классов) различной степени деградации. Каждому пикселю изображения космоснимка соответствует набор значений спектральных признаков почвенного контура. Спектральная яркость почв в значительной степени определяется содержанием гумуса, влажностью, поверхностной структурой и степенью деградации почвенного покрова. Для почв занятых растительностью и свободных от неё необходим индивидуальный подбор комбинации спектральных каналов, что обусловлено различной отражательной способностью эродированных почв на открытых участках и почвах под растительностью. Особенностью проявления на космических снимках эрозионных процессов пахотных угодий является непостоянство яркостных характеристик изображения, которое возникает в результате выхода на поверхность подпахотного и иллювиального горизонтов почвы. При слабом смыве почв смывается только часть пахотного горизонта А, оставшаяся его часть сохраняет тот же тёмный оттенок, который характерен для несмытых гумусированных горизонтов. Поэтому у слабосмытых почв не происходит изменений в окраске, и они не имеют специфического рисунка изображения на снимках. Среднесмытые почвы характеризуются значительной степенью смытости горизонта А, поэтому при их распашке местами неравномерно припахивается и горизонт В. Поверхность пашен на участках среднесмытых почв оказывается пёстрой. Сильносмытые почвы характеризуются полностью смытым горизонтом А и затронутым смывом горизонтом В. Поэтому на снимках сильносмытые почвы имеют пестрый, нечётко пятнистый рисунок с преобладанием более светлых тонов по сравнению с рисунком изображения среднесмытых и слабосмытых почв. Спектральная отражательная способность космических снимков эродированных участков подтверждается качественными характеристиками гумусного состояния почв. Развитие эрозионных процессов приводит к снижению уровня почвенного плодородия, которое выражается в уменьшении мощности гумусового горизонта, снижении содержания и запасов гумуса в слое 0–50 см. В основе дистанционного зондирования почвенно-эрозионных процессов и явлений лежит сильное влияние водной эрозии на оптические свойства почв. Эрозия почв приводит к снижению содержания в них темноокрашенных частичек гумуса и глинистых фракций гранулометрического состава, что, в свою очередь, приводит к увеличению яркости почвенного материала. Отсюда, почвы разной степени смытости имеют разные оптические характеристики. Контрольные вопросы 1. Какие карты используются при почвенном картографировании? 2. Из каких периодов состоит исследование почвенного покрова и картографирование почв? 3. Из каких разделов состоит программа изучения природных факторов почвообразования при почвенном картировании? 4. Какие программные комплексы применяются для дешифрирования почвенных контуров различного гранулометрического состава ? 5. Что позволяют выявлять спектрозональные космические снимки? Лекция №14 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВЕ, МОНИТОРИНГЕ ЗЕМЕЛЬ И КАДАСТРАХ Основные вопросы: 1. Задачи, решаемые при применении технологии дистанционного зондирования земли в сельском хозяйстве. 2. Ведение государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения в Ненской области. Данные дистанционного зондирования являются важным источником получения оперативной и объективной информации о состоянии сельскохозяйственной отрасли на больших и удаленных от центров управления территорий, что позволяет осуществлять постоянный мониторинг земель сельскохозяйственного назначения. Такая информация необходима:  землеустроительным организациям;  хозяйственникам;  административно-управленческому аппарату для контроля, а также прогнозирования и планирования производства сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственный мониторинг основывается на материалах наземных обследований и оценок с использованием специальных моделей прогноза урожаев по агрометеоданным с использованием данных дистанционного зондирования. В настоящее время сеть наземных пунктов агрономических наблюдений практически не функционирует, а применение аэросъемок связанно с большими затратами поэтому космический мониторинг с использованием спутниковых данных является актуальным. Задачи, решаемые при использовании технологии дистанционного зондирования земли в сельском хозяйстве: – мониторинг сельскохозяйственных территорий на больших площадях; – наблюдение за снежным покровом и оценка влагонакопления; – сведения о температуре и влаги почвы; – определение площадей угодий и полей, занятых различными культурами; – контроль за состоянием растительности и сельскохозяйственных культур; – выявление участков деградации почвы; – прогнозирование урожайности культур; – мониторинг посевных работ и уборки урожая. Схематично применение дистанционного зондирования в точном земледелии представлено на рис. 84. При ведении государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения необходимость дистанционного зондирования вызвана значительными изменениями в структуре сельскохозяйственных земель. В Пензенской области, как и в других регионах России продолжаются процессы ухудшения состояния почвенного покрова вызванного эрозионными процессами и экологическими нарушениями. Особое внимание требует наблюдение за сокращением сельскохозяйственных угодий, зарастание их мелколесьем и кустарниковой растительностью, а также загрязнение и преступное захламление этой бесценной категории земель. Значительные территории земель сельскохозяйственного назначения, прилегающие вплотную к населенным пунктам, передаются под жилое строительство. Земли сельскохозяйственного назначения составляют 70,9 % от общей площади земельного фонда Пензенской области, тогда как по стране этот показатель составляет 22,7 %. Это свидетельствует, о том, что область является одним из ведущих сельскохозяйственных регионов. Земли лесного фонда в РФ составляют 65,6 %. В Пензенской области лесной фонд занимает 22,2 %, что связано с большой распаханностью земель (70 %). Остальные показатели по Нснской области варьируют в пределах общероссийских. Показатели по категориям земель Нснской области представлены на рис. 85. Многочисленные изменения в структуре сельскохозяйственных земель требуют регулярного мониторинга с целью выявления и предотвращения различных негативных процессов, вызванных антропогенным воздействием и природными катаклизмами для составления проектов по рациональному использованию и охране и рекультивации земель. Министерство сельского хозяйства РФ осуществляя контроль за ведением государственного мониторинга сельскохозяйственных земель сталкивается с проблемами, связанными с большими площадями исследуемой категории земель, на долю которых приходится 23,4 % от всего земельного фонда России. При проведении наблюдений за аграрным сектором выявлены изменения, происходящие в структуре сельскохозяйственных угодий. Под влиянием различных факторов в стране ежегодно сокращается площадь пашни, что немного компенсируется увеличением территорий занятых сенокосами, пастбищами, залежами. Участки, занимаемые посевными культурами зачастую имеют неправильную конфигурацию и разновеликую площадь. Для ведения мониторинга за их состоянием требуется применение спутниковых наблюдений, использовать современные космические технологии для решения задач, связанных с развитием сельского хозяйства. В Нснской области использование данных дистанционного зондирования усложняется отсутствием обновленного топографического материала. Дистанционное зондирование следует применять в совокупности с методами наземного обследования территорий. В результате осуществления земельной реформы в регионе увеличилось количество крестьянских и личных подсобных хозяйств, что способствует росту производства картофеля, овощей, ягоды и фруктов. В Каменском, Белинском, Бековском рай-онах возросли показатели по выращиванию сахарной свеклы и производства сахара. Но для роста поголовья скота не достаточно развита кормовая база, поэтому улучшению состояния кормовых угодий следует уделить особое внимание. Кроме спутниковых съемок применяют и другие технологии дистанционного зондирования земли – это аэросъемка с самолетов и вертолетов, а также съемка с беспилотных летательных аппаратов (рис. 86). Выбор метода получения информации зависит не только цели исследования, но и в основном от финансовых возможностей заказчиков. Руководители и владельцы многих сельскохозяйственных организаций не имеют возможность использовать при проведении инвентаризации полей и при планировании севооборотов современные спутниковые системы. Контрольные вопросы 1. Кому необходима информация о мониторинге земель сельскохозяйственного назначения? 2. Какие задачи решаются при использовании технологии дистанционного зондирования земли в сельском хозяйстве? 3. С какой целью многочисленные изменения в структуре сельскохозяйственных земель требуют регулярного мониторинга? 4. Кто осуществляет контроль за ведением государственного мониторинга сельскохозяйственных земель? 5. Кроме спутниковых съемок какие еще применяют технологии дистанционного зондирования земли?