Геоінформаційне картографування ґрунтів неконтактними методами на прикладі лівобережної низинної провінції Лісостепу України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний аграрний університет

ГЕОІНФОРМАЦІЙНЕ КАРТОГРАФУВАННЯ ҐРУНТІВ НЕКОНТАКТНИМИ МЕТОДАМИ НА ПРИКЛАДІ ЛІВОБЕРЕЖНОЇ НИЗИННОЇ ПРОВІНЦІЇ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ

06.01.03 - агроґрунтознавство і агрофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарський наук

Бідолах Дмитро Ілліч

Київ - 2008

Анотація

Бідолах Д.І. Геоінформаційне картографування ґрунтів неконтактними методами на прикладі лівобережної низинної провінції Лісостепу України - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата cільськогосподар-ських наук за спеціальністю 06.01.03 - агроґрунтознавство і агрофізика. - Національний аграрний університет, Київ, 2008.

У дисертаційній роботі розглянуто питання використання неконтактних методів, інтегрованих у геоінформаційних системах, для картографування ґрунтового покриву. Запропоновано використання матеріалів дистанційного зондування для отримання континуальної інформації про стан ґрунтової поверхні та цифрової фотокамери для визначення вмісту гумусу в ґрунті та картографування територій, вкритих рослинністю (на момент зйомки) за матеріалами космічної зйомки.

За результатами досліджень і геоінформаційного картографування створено ґрунтову картограму для території дослідного полігону і виконано її порівняння з архівною ґрунтовою картою; проведено розрахунок економічної ефективності використання цифрової фотокамери для визначення вмісту гумусу в ґрунті.

Як результат виконання роботи, наведено пропозиції щодо вдосконалення алгоритму геоінформаційного картографування ґрунтів з використанням неконтактних методів.

Ключові слова: дистанційне зондування, геоінформаційні системи, цифрова фотокамера, ґрунтове обстеження, визначення вмісту гумусу, ґрунтові карти.

Аннотация

Бидолах Д.И. Геоинформационное картографирование почв неконтактными методами на примере левобережной низинной провинции Лесостепи Украины - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.03 - агропочвоведение и агрофизика. - Национальный аграрный университет, Киев, 2008.

Диссертация посвящена использованию дистанционных методов для картографирования почвенного покрова. Цель диссертационной работы состоит в научно-методическом обосновании элементов картографирования почвы с использованием неконтактных методов.

Проведен обзор отечественных и зарубежных литературных источников, в котором проанализировано состояние почвенного картографирования на Украине и за рубежом. Обоснована необходимость использования материалов космической съемки, интегрированных в геоинформационных системах, для объективного исследования почвенного покрова, и показаны преимущества их использования по сравнению с традиционной технологией.

Предложено использование цифрового фотоаппарата как инструмента для спектральной оценки почвы, на основании чего разработана принципиально новая методика определения содержания гумуса в почве по её спектральным характеристикам. Предложено использование данной методики для ускорения аналитических работ по определению содержания гумуса в почвенных образцах при агрохимических исследованиях и для картографирования территорий, покрытых растительностью на момент проведения космической съемки.

В работе приведены регрессионные уравнения зависимости содержания гумуса в почве от ее спектральных коэффициентов яркости за материалами космической и фотографической съемок для территории объекта исследования. На основании выведенных зависимостей построено расчетную электронную картограмму содержания гумуса и почвенную картограмму с использованием геоинформационных систем. Проведено сравнение этой картограммы с архивной почвенной картой, в результате чего сделаны выводы о лучшей информативности и точности карты, построенной с использованием дистанционных методов.

В результате проведенной работы даны предложения по улучшению алгоритма проведения почвенной съемки за счет дополнения ее результатами космической и фотографической съемок, интегрированных в гео-информационных системах.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, геоинформационные системы, цифровой фотоаппарат, почвенное обследование, определение содержания гумуса, почвенные карты.

Adstrakt

Bidolakh D. Geographical informational mapping of soils with using of non-contact methods on the example of left-bank low-lying province of Ukraine Forest-steppe zone - Manuscript.

Dissertation for the candidate of agricultural sciences degree in specialty 06.01.03 - Agricultural Soil Science and Agrophysics. - National Agricultural University, Kiev, 2008.

Ways of non-contact methods using, integrated in geographical information systems, for soil surface mapping are considered in this dissertation work. Using of remote sensing materials for obtaining of continuous information about soil coverage is showed. Using of digital camera for humus determination and mapping of the territory covered with crops on the moment of survey by the remote sensing materials are proposed.

The soil map of observed territory is created in this thesis on the basis of research. This map is compared with archive soil map. The calculation of economical effectiveness of digital camera using for determination of humus content in soils is showed.

The recommendations of the algorithm for improvement of geographical informational mapping with using of non-contact methods were the results of this work.

Key words: remote sensing, geographical information systems, digital camera, soil observation, humus determination, soil maps.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Оновлення існуючих ґрунтово-картографічних матеріалів і одержання максимально достовірної інформації про стан ґрунтів у короткі строки із мінімальними витратами є важливою передумовою сталого розвитку землеробства. Найкращим шляхом вирішення зазначеного завдання, як свідчить досвід інших країн та велика кількість фундаментальних і прикладних робіт (Д.С. Орлов, Б.В. Виноградов, О.Г. Тараріко, А.В. Шатохін, С.І. Веремеєнко, А.Б. Ачасов, В.О. Греков, Н.П. Сорокіна, С.Р. Трускавецький, М.М. Гічка та ін.), є геоінформаційне картографування ґрунтів з використанням неконтактних методів. Проте, це питання характеризується значною різноманітністю поглядів і підходів як з боку вітчизняних, так і зарубіжних науковців. Тому виникла потреба узагальнення накопичених знань, перевірки достовірності і практичності використання неконтактних методів для вивчення поверхні ґрунту в регіональному аспекті. Не достатньо вивченим залишилось питання обстеження територій, які вкриті рослинністю на момент виконання зйомки та можливості використання матеріалів багатозональної зйомки для дистанційного визначення ґрунтових показників. Отже, питання вдосконалення і оновлення методичної бази ґрунтової картографії є актуальним, особливо за умови необхідності проведення нового суцільного обстеження ґрунтів України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в рамках науково-дослідних робіт за темами: „Розробити методичні аспекти використання матеріалів космічної зйомки для оцінки якості земель” (2003-2005 рр. № державної реєстрації 0103U006014) і „Розробка системи оцінки та прогнозу якості земель” (2003-2007 рр. № д.р. 0103U005377).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є науково-методичне обґрунтування використання неконтактних методів для здійснення ґрунтових обстежень. Для досягнення поставленої мети вирішували такі завдання:

- провести аналіз сучасних тенденцій, проблем і перспективи обстеження ґрунтів в Україні на основі досвіду використання матеріалів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) в геоінформаційних системах (ГІС);

- вивчити вплив окремих показників на спектральні властивості матеріалів ДЗЗ і цифрової фотозйомки та дослідити можливості використання матеріалів багатозональної зйомки (БЗЗ) для дослідження поверхневого шару ґрунту;

- вдосконалити геоінформаційне картографування за рахунок використання цифрової фотокамери (ЦФ);

- розробити ґрунтово-картографічні матеріали для дослідних полігонів у геоінформаційній системі з використанням методів ДЗЗ і ЦФ;

- оцінити інформативність отриманих у результаті дослідження ґрунтово-картографічних матеріалів порівняно з традиційними методами;

- вдосконалити методику ґрунтового обстеження з розробленням алгоритму використання матеріалів ДЗЗ, сучасних комп'ютерних технологій, ГІС і цифрової фотокамери для обстеження поверхні ґрунту.

Об'єктом дослідження вибрано процес використання матеріалів космічної зйомки та неконтактної цифрової фотометрії в геоінформаційних системах для вивчення ґрунтів лівобережної низинної провінції Лісостепу.

Предметом дослідження є закономірності впливу деяких показників (параметрів) ґрунтів на спектральні властивості космічних знімків і цифрових фотографій та алгоритм створення цифрових ґрунтових карт з використанням геоінформаційних систем.

Методи дослідження: польовий, лабораторний, аерокосмічний, методи спектрофотометрування ґрунтового покриву, геоінформаційних систем, раціонального планування експерименту, математичної статистики та розрахунково-порівняльний метод.

Наукова новизна одержаних результатів. До найістотніших нових наукових результатів, одержаних при виконанні дисертаційної роботи, належать такі:

- удосконалено традиційну методику ґрунтових обстежень використанням матеріалів БЗЗ та застосуванням цифрової фотокамери для “короткодистанційного” зондування. При цьому вперше використано ЦФ для спектральної оцінки ґрунтових зразків, визначення вмісту гумусу та дослідження „закритих” за матеріалами космічної зйомки ділянок ґрунтового покриву, що підтверджено 2 деклараційними патентами (Пат. 24823/1 Укр. МПК (2006) G 01 C 11/00. НКИ 193/06. та пат. Укр. №4582 МПК 7 G 01 N33/24. - №20040604549);

- регіональна перевірка та адаптація геоінформаційного картографування з використанням неконтактних методів в умовах ґрунтів лівобережної низинної провінції Лісостепу (ЛСЗ₁), а також вивчення можливості використання матеріалів багатозональної зйомки для обстеження ґрунтової поверхні сприяла подальшому розвитку питання впровадження цих методів для досліджень та оцінки ґрунтів України;

- на основі розроблених математичних залежностей спектральних властивостей ґрунту за матеріалами космічної та фотографічної зйомок, побудовано електронні картограми вмісту гумусу на територію дослідження та виділено межі ґрунтових ареалів із використанням геоінформаційних систем. Здійснено порівняльну оцінку створеної за розробленою методикою картограми ґрунтів.

Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання отриманих результатів досліджень при розробленні програми повторного великомасштабного обстеження ґрунтів України. Зокрема, застосування цифрової фотокамери у ґрунтових дослідженнях дає можливість прискорювати обстеження територій, які неможливо вивчити за допомогою матеріалів космічної зйомки, і зменшувати обсяг аналітичних робіт щодо визначення вмісту гумусу в ґрунті. Крім того, ці результати можуть бути використані при інших обстеженнях ґрунтів. Фотографічні матеріали ґрунтових зразків рекомендовано використовувати для здійснення оцінки та моніторингу земельних ресурсів завдяки створенню банку даних.

Частина результатів досліджень реалізована у вигляді „Положення щодо оцінки якості земель за рахунок використання матеріалів дистанційного зондування” в системі Держкомзему України (акт впровадження від 8 грудня 2005 р.). Частину результатів впроваджено у вигляді „Положення про економічне стимулювання екологічних заходів у землекористуванні” у системі Державного технологічного центру охорони родючості ґрунтів та якості продукції (підтверджено актом від 24 вересня 2007 р.). Крім того результати досліджень впроваджено у навчальний процес Національного аграрного університету при викладанні предмету „Інформаційне забезпечення в управлінні територіями” для ОКР магістр по спеціальності „Землевпорядкування та кадастр” факультету землевпорядку-вання та дисципліни „Дистанційне зондування Землі” для студентів 4-го курсу спеціальності „Агрохімія та ґрунтознавство” факультету агрохім-сервісу та ґрунтознавства.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно опрацював наукові літературні джерела за темою дисертації, брав безпосередню участь у плануванні експерименту та розробленні програми досліджень. Автором виконано польові і лабораторні дослідження, отримано і проаналізовано дані, узагальнено отримані результати, сформульовано висновки та рекомендації виробництву.

Спосіб коригування результатів спектрального аналізу матеріалів ДЗЗ з використанням цифрової фотокамери розроблено у співавторстві з доцентом кафедри ґрунтознавства та охорони ґрунтів Національного аграрного університету к. с.-г. н. А.Б. Ачасовим. Особистий внесок здобувача у виконання цієї роботи становив 50 % і полягав у спільній участі у розробленні програми, організації і здійсненні експерименту, виконанні польових та аналітичних робіт, аналізі отриманих даних.

Розроблення способу визначення вмісту гумусу в ґрунті за допомогою цифрової фотокамери здійснювалось у співавторстві з С.Ю. Булигіним, А.Б. Ачасовим та ін. Особистий внесок здобувача у розробленні даного способу становив 50 % і полягав у виконанні польових, аналітичних та експериментальних робіт, постановці експерименту, обробці інформації та опрацюванні математичних залежностей. Запропоновану програму для автоматизації визначення вмісту гумусу в ґрунті LDE (Land Damage expert) було розроблено на базі експериментальних матеріалів дисертанта.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації були викладені та опубліковані на Міжнародній науково-практичній конференції „Розвиток земельних відносин в Україні: здобутки, стан та перспективи” (м. Київ, 28-30 вересня 2006 р.) та на VI міжнародній науково-практичній конференції ГІС-ФОРУМ 2006 (м. Київ, 17-19 травня 2006 р.). Крім того, результати досліджень оприлюднено на Міжнародній науково-навчальній конференції з обміну досвідом між викладачами, аспірантами й студентами університету штату Айова і НАУ (м. Київ, 12 травня 2004); міжнародній науково-виробничій конференції, присвяченій 80-річчю від дня народження і 50-річчю наукової діяльності доктора с.-г. наук, професора М.К. Шикули (м. Київ, 25-26 січня 2005 р.); конференції науково-педагогічних працівників, наукових співробітників та аспірантів НАУ за підсумками науково-дослідних робіт 2004 р. (м. Київ, 5 лютого 2005 р.).

2. Стан і перспективи картографування ґрунтів в Україні (огляд літератури)

У цьому розділі проаналізовано стан ґрунтового картографування та зазначено основні недоліки традиційного обстеження ґрунтів, які полягають у суб'єктивізмі та дискретності інформації. На основі досвіду різних науковців підкреслено необхідність вдосконалення методології ґрунтового картографування завдяки використанню матеріалів ДЗЗ, інтегрованих в ГІС, використання сучасних комп'ютерних технологій, кількісного підходу, спектрофотометричних, математичних і статистичних методів. При цьому зауважено труднощі використання матеріалів дистанційного зондування для індикації стану ґрунтового покриву через наявність рослинності, впливу на точність структурного стану та вологості. Науковці стверджують, що нова методика ґрунтового картографування має бути тільки комплексною, включати польові, лабораторні дослідження разом з неконтактними методами і обов'язковим польовим контролем отриманих результатів. Відмічено суперечливість поглядів щодо можливостей використання деяких методів для ґрунтового картографування, недостатній ступінь вивчення питання використання матеріалів багатозональної зйомки для ґрунтового картографування, відсутність єдиної методології, що свідчить про необхідність подальшого вивчення і вдосконалення цього питання.

3. Об'єкт, умови, методика і програма проведення досліджень

Дослідження здійснювали з 2003 по 2006 рр. на території с. Городище Бориспільського району Київської області, яка представлена доволі строкатим ґрунтовим покривом. Проведено вивчення природних і ґрунтових умов території дослідження. Результати натурного обстеження ґрунтів дослідного полігону засвідчили, що тут у процесі ґрунтоутворення сформувались ясно-сірі, сірі лісові та темно-сірі опідзолені ґрунти.

Таблиця 1 Профіль Ясно-сірих лісових ґрунтів на цій території має таку будову

HЕ 0-18 18	Гумусово-елювіальний горизонт - ясно-сірий нерівномірного забарвлення, свіжий, супіщаний, нестійкої грудкувато-пилуватої структури, слабоущільнений, тонкопористий, виражена присипка SiO2, перехід ясний за забарвленням, лінія переходу слабохвиляста.
Eh 18-27 9	Елювіальний горизонт - слабогумусований, ясно-сірий з білястим відтінком, свіжий, супіщаний з пилувато-пластинчастою структурою і з білястою присипкою на гранях, ущільнений, тонкопористий, перехід до наступного горизонту чіткий за забарвленням і складенням.
І 27-82 55	Ілювіальний горизонт - червонувато-бурий, свіжий, легкосуглин-ковий, структура горіхувата з колоїдною плівкою гідроксидів заліза на структурних окремостях, тонкопористий, щільний з слабо помітним переходом.
Рі 82-118 36	Ілювійована порода - буровато-жовтого забарвлення, свіжа, легкосуглинкова з грудкувато-пилуватою структурою, ущільнена, тонкопориста з помітним переходом.
Pk 118-	Ґрунтоутворювальна порода - тонкопористий, легкосуглинковий лес з прожилками карбонатів.

Таблиця 2 Сірі лісові ґрунти:

НЕ 0-21 21	Гумусово-елювіальний горизонт - буровато-сірий, вологий, пилувато-супіщаний, пилувато-грудкуватої структури з білястою присипкою SiO2, доволі слабо ущільнений, дрібнопористий з доволі помітним переходом.
І1(h) 21-38 17	Ілювіальний горизонт - слабозагумушений, бурий з сіризною, вологий, середньосуглинковий, структура горіхувато-грудкувата, ущільнений, зустрічаються червориїни, з поступовим переходом.
І2 38-81 43	Ілювіальний горизонт - темно-бурий, свіжий, середньосуглин-ковий, горіхувато-призматичної структури, щільний, тонко-пористий з поступовим переходом.
І3 81-114 33	Ілювіальний горизонт - бурий, свіжий, середньосуглинковий з грудкувато-призматичною структурою, щільний, тонкопористий, перехід поступовий.
Рі 114-131 17	Ілювійована порода - буровато-жовтого забарвлення з ознаками ілювію, свіжа, легкосуглинкова, ущільнена, тонкопориста, перехід поступовий за забарвленням.
Pk 131-	Ґрунтоутворювальна порода - грудковато-карбонатний легко-суглинковий лес палевого забарвлення з білуватими прожилками карбонатів.

Таблиця 3 Темно-сірі опідзолені ґрунти:

He 0-33 33	Гумусовий елювійований горизонт - темнувато-сірого кольору, свіжий, пилувато-супіщаний, пилувато-грудкуватої структури, слабко ущільнений, дрібнопористий, зустрічаються червориїни, перехід до наступного горизонту помітний.
НІ 33-59 26	Гумусово-ілювіальний - сірий з буризною, свіжий, середньо-суглинковий горизонт, зернистогрудкуватої структури, ущільне-ний, пористий, з чітким переходом.
І 59-92 33	Ілювіальний, червонувато-бурого забарвлення, свіжий, середньо-суглинковий, горіхуватої структури з колоїдною плівкою по гранях, зустрічаються червориїни та капроліти, перехід помітний.
Рі 92-117 25	Слабоілювійована порода, буровато - палевого забарвлення, воло-га, легкосуглинкова, з горіхувато-призматичною структурою та чітким переходом.
Рk 117-	Ґрунтоутворювальна порода - палевий легкосуглинковий карбонатний лес.

Для здійснення геоінформаційного картографування території дослідного полігону її було умовно розділено на три ділянки (рис.1), окреслені природними межами (лісосмуги і дороги): І - для проведення ґрунтових досліджень з використанням цифрової фотокамери на полях, вкритих рослинністю (S=177,5 га); ІІ - для проведення геоінформаційного картографування з використанням матеріалів БЗЗ на полі, не вкритому рослинністю (S=88,4 га); ІІІ - для перевірки достовірності ґрунтових досліджень за запропонованою технологією (S=79,2 га).

На територію дослідного полігону було зібрано планово-картографічні матеріали: топографічні карти різних масштабів, план землеустрою, ґрунтову карту в масштабі 1:10000. З архівних матеріалів НВЦ „Природа” було підібрано матеріали багатозональної зйомки, отримані за допомогою камери КФА-1000 на базі космічного апарату Ресурс-Ф. Проведено прив'язку існуючих картографічних матеріалів у географічній системі координат із використанням геодезичної системи WGS-84 за найхарактернішими точками місцевості з використанням пристрою глобального позиціювання (GPS) Garmin 12 Etrex. Далі, за допомогою програми Erdas Imagine 8.4, проводили геометричну корекцію робочої основи з прив'язкою всіх картографічних і фотографічних матеріалів у одній проекції.

З метою проведення геоінформаційного картографування території дослідного полігону відібрано зразки для встановлення зв'язку між вмістом гумусу і спектральними властивостями точок відбору цих зразків за матеріалами ДЗЗ та результатами фотографічної зйомки в камеральних умовах. Проведено аналітичне визначення вмісту гумусу кожного зразка за методом Тюріна в модифікації Сімакова (ГОСТ 26213-91). Спектральні властивості прив'язаного, інтерпретованого у середнє сіре зображення космічного знімку, визначали за допомогою ГІС ERDAS. Спектральний аналіз ґрунтових зразків проводили за допомогою спеціальної програми LDE, розробленої нами для представлення оптичних властивостей ґрунту у кольоровій моделі RGB.

Результати аналітичних хімічних та спектральних аналізів ґрунтових зразків в кожній точці дали змогу вивести регресійні рівняння залежності вмісту гумусу від оптичних властивостей ґрунту за матеріалами БЗЗ і ЦФ. Ці рівняння використано для переведення космічного зображення дослідного полігону у розрахункову картограму вмісту гумусу. При цьому картографування території, недоступної для спектрального аналізу за матеріалами БЗЗ внаслідок наявності рослинного покриву, проводили за розробленою нами методикою з використанням цифрової фотокамери.

Кластерний аналіз створеного картографічного матеріалу, результати натурних обстежень та уточнень дали змогу побудувати картограму ґрунтів дослідного полігону. Після цього співставили створений картографічний матеріал з архівною картою ґрунтів для порівняння та аналізу.

4. Картографування ґрунтів дослідного полігону за різними технологіями

У цьому розділі продемонстровано результати обстеження ґрунтового покриву за традиційною технологією, за методикою з використанням матеріалів космічної зйомки і методики із залученням ЦФ для визначення вмісту гумусу в ґрунті на основі його спектральних властивостей та для картографування територій, вкритих рослинністю за матеріалами ДЗЗ.

При співставленні результатів натурних обстежень ґрунтів за традиційною технологією з архівною ґрунтовою картою виявлено, що вони співпадають лише на 35% (сім розрізів з двадцяти відповідають архівній карті). Такий доволі низький результат, на нашу думку, більшою мірою є наслідком того, що при складанні ґрунтово-картографічних матеріалів пів століття тому картографи використовували дискретну інформацію про стан ґрунтового покриву. Тепер, є можливість використовувати континуальну інформацію у вигляді матеріалів ДЗЗ, які дають доволі чітке уявлення про розташування контурів ґрунтових ареалів.

Переважна більшість дослідників при здійсненні геоінформаційного картографування використовує матеріали багатоспектрального сканування, перевагою яких є отримання інформації на різних довжинах хвилі. При цьому питання можливості використання в геоінформаційному картографуванні матеріалів багатозональної зйомки, яка за своєю фізичною суттю близька до фотографічної, є мало вивченим. Тому картографування ґрунтів за новою технологією передбачало використання матеріалів БЗЗ (камера КФА-1000 на базі космічного апарату Ресурс-Ф).

До початку роботи зображення дослідного полігону на космічному знімку було співставлено з архівною картою ґрунтів для виявлення розбіжностей меж ґрунтових відмін, встановлених попередніми ґрунтовими обстеженнями, із спектральними особливостями відкритої ґрунтової поверхні за космічним знімком. При цьому чітко виявилось, що контури ґрунтової карти не збігались із межами спектральної неоднорідності космічного знімку.

Використання матеріалів ДЗЗ у картографуванні ґрунтів дає змогу перетворити дискретні (точкові) дані про стан ґрунтового покриву (в нашому випадку вміст гумусу) в континуальну інформацію - растрове зображення, кожен піксель якого несе інформацію про значення досліджуваного показника. Тому на основі встановлених залежностей між вмістом гумусу і коефіцієнтом спектральної яскравості (К_С.Я.) у точках відбору зразків побудовано графік залежності і виведено рівняння регресії:

Y = - 0,0508 Х + 9,1821, (1)

де Y - вміст гумусу, %;

X - К_С.Я. за матеріалами багатозональної зйомки.

Кількісним показником щільності даного зв'язку є коефіцієнт парної кореляції, який в даному випадку становив: r = - 0,87.

Наведене рівняння використано для перерахунку яскравості матеріалів БЗЗ у значення вмісту гумусу по кожному пікселю знімка і побудови розрахункової картограми вмісту гумусу.

Для обстеження територій, вкритих рослинністю на момент проведення космічного знімання (І ділянка дослідного полігону), запропоновано використовувати ЦФ як інструмент неконтактної зйомки (картографування за третьою технологією). З цією метою нами розроблено спеціальну методику визначення вмісту гумусу в ґрунтових зразках за їх спектральними характеристиками, яка включає: відбір і підготовку ґрунтових зразків, фотографування цифровою фотокамерою, передавання та оброблення результатів фотографування на комп'ютері.

Процес підготовки зразків до фотографування полягає у висушуванні ґрунту до повітряно-сухого стану, очищенні від сторонніх домішок і включень, перетиранні крізь сито з діаметром отворів 0,25 мм, вміщенні в спеціальну форму для фотографування та ущільненню і вирівнюванню поверхні зразків. Фотографування виконували за умов штучного регульованого освітлення у триразовій повторності з використанням еталону. При цьому експериментальним шляхом визначено оптимальні параметри розташування фотокамери, освітлювальних приладів та ґрунтових зразків. Фотографічні матеріали передаються на ПК у вигляді зображень формату JPEG чи BMP з наступною обробкою (визначення колірних характеристик) за допомогою запропонованого нами програмного комплексу LDE.

Вивчення впливу зміни освітлення на яскравість ґрунтових зразків показали, що незалежно від вмісту гумусу чи типу ґрунту, досліджувана залежність має лінійний характер. Для червоної складової кольору коефіцієнт кореляції показників освітленість - яскравість зразків, перебуває в межах 0,996-0,999. Аналогічно при синьому та зеленому кольорах він становить відповідно 0,951-0,998 та 0,745-0,989 у межах одного підтипу ґрунту. У дослідженнях встановлено, що кут нахилу прямої є постійною величиною і визначається підтипом ґрунту, відповідно зазначена інтенсивність кожної складової кольору ґрунту обчислюється за рівнянням:

І_К.Гп = (255 - І_К.Е)/k + І_К.Г , (2)

де: І_К.Гп - приведене значення інтенсивності кольору ґрунту;

І_К.Е та І_К.Г - інтенсивності кольору еталону та ґрунту відповідно;

k - коефіцієнт кута нахилу прямої, для даного підтипу ґрунту.

Наявність рівняння (3), виведеного на основі залежності кольору частини ґрунтових зразків за матеріалами цифрової фотозйомки від вмісту гумусу в них дає змогу розраховувати вміст гумусу для всієї сукупності зразків, виходячи з їх спектральних характеристик.

Y = 8,1134 Х + 7,4904, (3)

де Y - вміст гумусу, %;

Х - К_С.Я. фотографічних матеріалів.

Кількісним показником щільності цього зв'язку є коефіцієнт парної кореляції, який у такому разі становить: r = - 0,88.

Цю можливість прискореного визначення вмісту гумусу в ґрунтових зразках за допомогою ЦФ використано при картографуванні першої дослідної ділянки. Для цього було відібрано 92 зразки за регулярною сіткою з кроком 125 м та проведено їх спектральний аналіз за допомогою ЦФ. Далі, відповідно до виведеного регресійного рівняння для території дослідного полігону, проведено перерахунок К_С.Я. фотографічних матеріалів ґрунтових зразків, у значення вмісту гумусу в кожній точці відбору першої ділянки дослідного полігону. Після чого методом інтерполяції в ГІС Erdas Imagine побудовано розрахункову картограму вмісту гумусу в ґрунті. Поєднання двох картограм, створених за результатами космічної (рис. 3, праворуч) та фотографічної зйомок, дало змогу отримати картограму вмісту гумусу на всю територію дослідного полігону.

При зіставленні отриманої картограми гумусованості з векторним зображенням архівної ґрунтової карти також помітні істотні розбіжності в їх контурах.

З метою порівняння архівної ґрунтової карти з отриманими нами картографічними матеріалами, проведено кластерний аналіз створеної картограми методом нелінійної інтерполяції крігінга для побудови карти ґрунтів. Після цього, для уточнення меж ґрунтових відмін, проведено натурне уточнення закладенням прикопок.

При цьому використання в дослідженнях двох подібних за своєю фізичною сутністю зйомок - багатозональної і цифрової фотографічної дало змогу проводити їх порівняння між собою за окремим складниками кольору (каналами R, G, B). Статистичний аналіз даних засвідчив, що вміст гумусу по дослідних зразках добре корелює із значеннями яскравості точок їх відбору на матеріалах БЗЗ тільки в тих, що відібрані на території, яка не вкрита рослинністю (r = - 0,79; - 0,62 і - 0,85 за червоним (R), зеленим (G) та синім (B) каналом відповідно). При дослідженні оптичних властивостей ґрунтових зразків за допомогою фотографічної зйомки, спостерігається кореляція між їх спектральними характеристиками і вмістом гумусу в них за всіма зразками, не залежно від місця їх відбору (r = - 0,86; - 0,83 і - 0,79 за R,G та B каналами відповідно).

Досліджено, що між даними цифрової фотографічної і космічної дистанційної зйомки (на полях не вкритих рослинністю у момент зйомки) існують залежності, які описуються лінійними функціями за окремими складниками кольору:

- для червоного каналу (R) Y=0,0044X+0,4860 ; (4)

- для зеленого каналу (G) Y=0,0019X+0,3491 ; (5)

- для синього каналу (B) Y=0,0026X+0,0215 , (6)

де Y - уточнене за результатами цифрової фотозйомки значення яскравості космічного знімка за відповідним складником кольору;

Х - спектральне значення яскравості зразку, отримане за допомогою цифрової фотографічної зйомки за відповідним складником кольору.

При цьому, слід зазначити, що в кожному окремому випадку регресійне рівняння матиме інший вигляд, залежно від результатів аналізу матеріалів ДЗЗ та камерального фотографування зразків.

Як видно з отриманих даних, найкраще уявлення про вміст гумусу в ґрунті дає фотографічна зйомка (завдяки стандартним умовах виконання зйомки). Проте, її недоліком є дискретність інформації, тому пропонується використовувати ЦФ для перевірки матеріалів ДЗЗ та отримання інформації про ґрунти на території, де не можливо провести спектральний аналіз поверхні ґрунту за матеріалами космічної зйомки. Дослідження засвідчили, що коригування значень яскравості на матеріалах ДЗЗ за допомогою ЦФ дає можливість підвищити щільність статистичного зв'язку до r = - 0,861; - 0,807; - 0,877 за R, G, B каналами відповідно для всієї досліджуваної території на космічному знімку.

5. Порівняльна оцінка розроблених способів геоінформаційного картографування із традиційними методами ґрунтових досліджень

Використання матеріалів ДЗЗ та фотографічної зйомки, інтегрованих у ГІС, дає змогу отримати принципово нові, електронні, побудовані на базі чітких кількісних ознак і математичних залежностей картографічні матеріали, які вирізняються вищою точністю та інформативністю. Для порівняльної оцінки спочатку проведено самоперевірку створеної картограми вмісту гумусу. Тобто вибрана сусідня територія з подібними ґрунтовими умовами (IІІ ділянка дослідного полігону), ґрунтовий покрив якої, у разі вірної розробки методики, має відповідати спектрально-ідентифікаційним зв'язкам, встановленим для дослідних ділянок І і ІІ. Відібрано 23 зразки вибірковим способом у місцях з різними спектральними характеристиками, проаналізовано вміст гумусу за методом Тюріна і виконано зіставлення із розрахунковим значенням вмісту гумусу за матеріалами БЗЗ і ЦФ. Статистичний аналіз даних перевірки засвідчив, що середньоарифметична похибка визначення вмісту гумусу розрахунковим способом становить 2,82 % за результатами фотозйомки і 4,2 % - за матеріалами БЗЗ. При врахуванні того, що похибка аналітичного способу визначення вмісту гумусу в ґрунтовому зразку становить 15%, точність запропонованих нами досліджень є достатнім показником для можливості картографування вмісту гумусу за даною технологією.

Крім того, нами зіставлено архівну ґрунтову карту із створеною з використанням геоінформаційного картографування та неконтактних методів з метою встановлення відсотка площ однойменних ґрунтів, який становив лише 34,5% (табл.4).

Уникнути цих неточностей можна було б завдяки збільшенню кількості натурних обстежень поверхні ґрунту. Але, при великих обсягах робіт, як наприклад при проведенні повторного великомасштабного обстеження ґрунтового покриву території України, такий підхід неможливий. Тому вважаємо за доцільне використання запропонованої нами технології проведення ґрунтових обстежень з використанням нових методів.

Таблиця 4 Результати порівняння площі ґрунтових ареалів створеної і архівної карти

Назва ґрунту	Площа ґрунтових ареалів, га	% площі однойменних ґрунтів
	за архівною картою	за новою картою	однойменних
Ясно-сірий лісовий супіщаний	15,5	22,1	11	49,8
Сірий лісовий пилувато-супіщаний	69,9	105,1	15,9	15,1
Сірий лісовий піщано- легкосуглинковий	164,5	146,3	44,7	27,7
Темно-сірий опідзолений пилувато-супіщаний	54,9	20,4	17,6	86,3
Темно-сірий опідзолений крупнопилувато - легкосуглинковий	40,2	51,1	29,9	58,5
Загальна площа	345	345	119,1	34,5

Аналіз економічної ефективності використання неконтактних методів у ґрунтових дослідженнях ускладнений через організаційні, економічні, технічні та методологічні труднощі. Витрати на виконання обстежень таким способом істотно можуть не відрізнятись від традиційного способу. Перевага запропонованого алгоритму полягає в підвищенні точності та достовірності отриманих картографічних матеріалів завдяки використанню кількісних показників і об'єктивності методу картографування.

Аналітичні роботи щодо визначення вмісту гумусу з використанням ЦФ для 1000 зразків обходяться в 510,62 грн. (за цінами 2006 р.), що в 13,7 раз нижче за вартість аналізу одного зразка по Київській області (за даними ДТЦ “Держродючість”). Очікуваний ефект впровадження цього методу у виробництво, на прикладі для ДТЦ “Держродючість” по Київській області, становить понад 20 тис. грн. рік, що свідчить про економічну ефективність використання цифрової фотокамери для виконання робіт щодо визначення вмісту загального гумусу.

6. Пропозиції вдосконалення алгоритму геоінформаційного картографування ґрунтів з використанням неконтактних методів

Алгоритм сучасного картографування ґрунтів має базуватися на загальноприйнятій, сформованій роками й досвідом ґрунтознавців-картографів методиці проведення великомасштабного ґрунтового обстеження. Водночас, новітні методи та технології, що здатні прискорити, покращити якість та зменшити вартість картографування ґрунтів, теж заслуговують на залучення і максимальне використання їх переваг у методиці ґрунтового обстеження. Тому, нами запропоновано алгоритм обстеження ґрунтового покриву, який включає використання сучасних технологій, запропоновані нами розробки і досвід науковців (С.Р. Трускавецький, Д.Г. Тихоненко, С.Ю. Булигін, А.Б. Ачасов), які вивчали це питання перед нами. При описанні його принципової схеми особливу увагу було приділено запропонованим нами нововведенням. Загальновідомі питання ґрунтового картографування при цьому не описувались детально.

1. Підготовчий етап.

1.1 Організація роботи. На цьому етапі крім загальноприйнятих робіт здійснюють заходи щодо забезпечення необхідними комп'ютерними технологіями, вибір ГІС, ЦФ та комплектація штату працівників, до якого включають фахівців з геоінформаційних систем, ДЗЗ та цифрової фотометрії.

1.2 Збирання та підготовка картографічних матеріалів. Відібрані традиційні картографічні матеріали переводять у цифровий формат. По можливості додають або створюють електронні карти та цифрову модель місцевості. Проводять замовлення аерокосмічної інформації на територію обстежень (із урахуванням вимог щодо роздільної здатності, стану ґрунтового покриву на момент зйомки, діапазону знімання, вартості і якості матеріалів).

1.3 Підбір і вивчення літератури

2. Передпольовий підготовчий етап

Для попереднього обстеження ґрунтового покриву з використанням матеріалів ДЗЗ проводять їх дешифрування, зіставлення з іншими електронними картографічними матеріалами в ГІС та аналіз за допомогою сучасних методів обробки. Визначаються ключові точки для характеристики ґрунтового покриву території.

Територія дослідження розділяється на 3 категорії за матеріалами ДЗЗ:

1) „Відкрита” ґрунтова поверхня, аналіз якої можливий з використанням матеріалів ДЗЗ;

2) „Сумнівна” територія - „відкрита” ґрунтова поверхня, стан якої викликає сумніви щодо можливості аналізу за космічними знімками;

3) Територія, яка вкрита рослинністю на момент зйомки і не підлягає аналізу за матеріалами дистанційної зйомки.

На території дослідного полігону, яка віднесена до ІІ і ІІІ категорії, визначають місця відбору зразків за регулярною сіткою і, при необхідності, за ключовими точками для проведення перевірки та інтерполяції вмісту гумусу на всю територію для ІІІ категорії. Далі, визначається мережа маршрутів з перетинанням усіх основних елементів рельєфу.

3. Польовий період

3.1 Рекогносцирувальний. Крім загальноприйнятих робіт виконують візуальне звіряння космічних знімків із натурними особливостями території та перевірку достовірності їх дешифрування.

3.2 Знімальний період. Використання GPS-приймача для прив'язки матеріалів до системи географічних координат та пошуку раніше визначених ключових точок за відомими координатами роблять процес прив'язки зручним, ефективним та швидким етапом робіт ґрунтового обстеження.

За умови використання матеріалів ДЗЗ кількість ґрунтових розрізів та прикопок істотно зменшується, оскільки натурні обстеження для встановлен-ня меж ґрунтових ареалів заміняються використанням кількісних ознак матеріалів ДЗЗ. В той же час додається операція відбору зразків з поверхні ґрунту для перевірки і коригування матеріалів ДЗЗ за допомогою ЦФ.

3.3 Попердньо-камеральний. Крім загальноприйнятих робіт додатково здійснюють фотографування дослідних зразків з метою встановлення спектрально-ідентифікаційних зв'язків між яскравістю ґрунту і його властивостями. При великій кількості зразків, відібраних з однорідної території, їх зйомка цифровою фотокамерою дає змогу заміняти аналітичний спосіб визначення вмісту гумусу в цих зразках.

4. Камеральний період

Проводять обробку та аналіз одержаних матеріалів. Координати точок відбору зразків та місць закладання розрізів заносять у геоінформаційну базу даних. Проводять спектральний аналіз матеріалів ДЗЗ у кожній точці відбору ґрунтових зразків із застосуванням методів статистики та моделювання в ГІС. Встановлюють залежності між показниками ґрунту та його спектральними характеристиками за матеріалами ДЗЗ і фотографічної зйомки. Виведені рівняння регресії використовують для розробки електронних картограм ґрунтових показників, на основі інтерпретації та інтерполяції даних геостатистичними методами. Створені картограми використовуються для встановлення меж ґрунтових ареалів завдяки проведенню кластерного аналізу і порівнянню його результатів із матеріалами попередніх обстежень, результатів натурної зйомки та уточнень.

Логічним завершенням камерального періоду є перевірка отриманих ґрунтово-картографічних матеріалів на місцевості шляхом додаткових натурних обстежень і внесенням, за необхідності, коректив.

грунт гумус картографування

Висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичні узагальнення та практичне обґрунтування необхідності сумісного використання матеріалів ДЗЗ і результатів фотографічної зйомки цифровою фотокамерою, інтегрованих у ГІС для потреб ґрунтового картографування на прикладі Лівобережної низинної провінції Лісостепу України.

1. Використання неконтактних методів для геоінформаційного картографування ґрунтів дає змогу розв'язати актуальні проблеми ґрунтознавства: перехід від точки до картографічної одиниці (завдяки наявності інформації за кожним пікселем растрового зображення) і суб'єктивізм у виділенні меж ґрунтових ареалів (завдяки використанню неконтактних методів для дослідження ґрунтового покриву).

2. Доведено можливість використання ЦФ як інструменту для визначення вмісту гумусу в ґрунті з огляду на його спектральні характеристики. Даний спосіб доцільно використовувати при необхідності здійснення великої кількості аналітичних робіт з визначення вмісту гумусу. Він дає змогу на основі вибірки з усього діапазону значень для території з подібними ґрунтовими умовами (на рівні підтипу) здійснювати аналіз усієї сукупності зразків. ЦФ дає змогу здешевити отримання інформації про вміст гумусу в дослідних зразках майже в 14 раз.

3. Розроблено нову методику вивчення оптичних властивостей ґрунтових зразків за допомогою ЦФ, яка не залежить від погодних умов, не потребує використання дорогих реактивів і витратних матеріалів та є доступною для використання великою кількістю дослідників. Для швидкої обробки отриманої цифрової інформації та автоматизованого розрахунку і виведення значень вмісту гумусу в ґрунті створено новий програмний продукт Land Damage Expert.

4. Подано пропозицію щодо розв'язання проблеми картографування території, яка не піддається аналізу за матеріалами дистанційного зондування через наявність рослинного покриву, різну вологість і обробіток поверхні ґрунту під час виконання зйомки. Вона полягає у використанні ЦФ як пристрою для спектрального аналізу ґрунтових зразків, відібраних для представлення ґрунтового покриву „закритої” для дистанційних методів дослідної ділянки.

5. Встановлено наявність лінійної залежності між оптичними властивостями ґрунтів за даними багатозональної зйомки і цифрової фотографічної (r = -0,79; -0,62 і -0,85 за червоним, зеленим та синім каналом відповідно), досліджено, що зміна освітлення лінійно впливає на яскравість ґрунтових зразків (r = 0,996; 0,745; 0,951 за червоним, зеленим та синім каналом відповідно).

6. Запропоновано пропозиції вдосконалення алгоритму проведення ґрунтових обстежень із наведенням набору практичних рекомендацій на прикладі дослідного полігону з використанням матеріалів БЗЗ та цифрової фотографічної зйомки, інтегрованих у ГІС, які дають змогу підвищити якість, достовірність отриманих картографічних матеріалів та здешевити їх вартість.

7. Підтверджено можливість використання матеріалів БЗЗ у ґрунтових обстеженнях. Встановлено, що найінформативнішим для дослідження оптичних властивостей ґрунтів за матеріалами БЗЗ є синій канал (r = 0,85), а за матеріалами цифрової фотографічної зйомки ґрунтових зразків - червоний складник кольору (r = 0,86).

8. Подальшого розвитку набуло питання аналізу ґрунтових зразків методами спектрофотометрії. Проведені дослідження відкривають нові можливості щодо використання розроблених методик неконтактного визначення вмісту гумусу в ґрунті та способу коригування матеріалів дистанційного знімання ґрунтового покриву в інших цілях.

9. Створено нові електронні картографічні матеріали, побудовані на основі математичних залежностей з використанням кількісних показників, які вирізняються зручністю у використанні завдяки легкому переходу від одного масштабу до іншого, інтерпретації, поєднанню, порівнянню, аналізу та моделюванню, широкого набору інструментів для оформлення і наведення вихідної картографічної продукції та зручності у передачі і зберіганні.

Рекомендації виробництву

1. Для ефективного створення та поновлення грунтово-картографічних матеріалів, дослідження вмісту гумусу в поверхневому шарі ґрунту рекомендувати пропозиції щодо вдосконалення алгоритму обстеження ґрунтового покриву з використанням матеріалів ДЗЗ і ЦФ, інтегрованих у ГІС у комплексі з традиційними польовими методами ґрунтових досліджень з максимальним використанням позитивних сторін окремих методів і обов'язковим польовим контролем отриманих результатів.

2. Для картографування територій, спектральний аналіз яких не можливо провести за матеріалами ДЗЗ, а також для прискорення аналітичних робіт щодо визначення вмісту гумусу в ґрунті при масових аналізах рекомендувати використання ЦФ, як інструменту для спектрального аналізу ґрунтових зразків та програми LDE для обробки результатів фотографування.

3. Для дослідження оптичних властивостей ґрунтів рекомендувати використання значень яскравості синього каналу, при використанні матеріалів багатозональної зйомки та червоного складника кольору фотографічних матеріалів, отриманих за допомогою цифрової фотокамери.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Бідолах Д.І. Коригування матеріалів дистанційного знімання для потреб ґрунтової картографії на засадах використання цифрової фото- камери // Науковий вісник НАУ. 2006. №104. С. 98-101.

2. Бідолах Д.І. Використання неконтактних методів картографування ґрунту // Агроекологічний журнал. 2007. №1. С. 83-85.

3. Булигін С.Ю., Опришко О.О., Гайбура Н.А., Бідолах Д.І. Визначення умісту гумусу в ґрунті неконтактними методами // Вісник аграрної науки. 2005. №4. С. 34-37. (Особистий внесок дисертанта полягав у виконанні польових, аналітичних та експериментальних робіт, приймання участі у постановці експерименту, обробці інформації і складанні рівнянь регресії для визначення вмісту гумусу в ґрунті за даною методикою).

4. Ачасов А.Б., Бідолах Д.І. Використання матеріалів спектрозональної космічної зйомки для дослідження стану та картографування ґрунтового покриву // Аграрна наука і освіта. 2006. - №5-6. - С. 65-68. (Дисертант проводив аналітичні роботи по визначенню вмісту гумусу та спектральну оцінку зразків на території Бориспільського полігону, займався узагальненням результатів).

5. Ачасов А.Б., Бідолах Д.І. Коригування результатів спектрального аналізу матеріалів дистанційної зйомки ґрунту з використанням цифрової фотокамери // Науковий вісник НАУ. 2006. №102. C. 230-235. (Дисертант проводив аналітичні роботи та спектральну оцінку ґрунтових зразків, розробляв методику коригування матеріалів дистанційного знімання та займався узагальненням результатів).

6. Бідолах Д.І., Панасенко В.М., Козак О.В. Використання деяких елементів нових технологій при картографуванні ґрунтів // Вісник аграрної науки. 2005. №1. С. 69-71. (Дисертант займався науковим пошуком нових технологій, вивченням їх можливостей і узагальнням результатів).

7. Панасенко В.М., Бідолах Д.І. До питання нормування техногенного навантаження на ґрунтові ресурси з використанням сучасних технологій // Науковий вісник НАУ. 2005. №81. - С. 180-185. (Дисертант займався висвітленням можливостей використання сучасних методів для нормування техногенного навантаження та моніторингу грунтів і приймав участь у відборі зразків та проведенні аналітичних робіт).

8. Булигін С.Ю., Опришко О.О., Погурельський С.П., Бідолах Д.І. Цифровий дистанційний експрес-контроль вмісту гумусу в ґрунті // Землеустрій і кадастр. 2007. №1. С. 23-27. (Особистий внесок дисертантта полягав у виконанні польових, аналітичних та експериментальних робіт; брав участь у постановці експерименту, обробці інформації і складанні рівнянь регресії для визначення вмісту гумусу в ґрунті за даною методикою).

9. Пат. 24823/1 Укр. МПК (2006) G 01 C 11/00. Спосіб коригування результатів спектрального аналізу матеріалів дистанційної зйомки ґрунту. Заявл. 12.07.2006; Опубл. 13.10.2006; НКИ 193/06. - 3 с. (Особистий внесок здобувача у розробці даного способу становив 50 % і полягав у виконанні польових, аналітичних та експериментальних робіт; брав участь у постановці експерименту, обробці інформації і складанні рівнянь. Запропоновану програму LDE було розроблено на базі експериментальних матеріалів дисертанта).

10. Патент України №4582 МПК 7 G01N33/24. Спосіб визначення вмісту гумусу в ґрунті / Булигін С.Ю., Ачасов А.Б., Бідолах Д.І., Барвінський А.В., Ачасова А.О., Гайбура Н.А., Опришко О.О. - №20040604549., заявл. 11.06.2004., опубл. 17.01.2005., бюл.№1. 3 с. (Особистий внесок здобувача у виконанні даної роботи становив 50 % і полягав у сумісній участі у розробці, постановці експерименту, здійсненні польових, аналітичних робіт, аналізі даних і розробці способу коригування матеріалів дистанційної зйомки).

11. Бідолах Д.І. Панасенко В.М. Оперативний контроль вмісту гумусу в грунті на засадах використання ГІС і неконтактних методів // Матеріали VI міжнародної науково-практичної конференції ГІС-ФОРУМ 2006 (17-19 травня 2006 р.). - Київ: КНУБіА, 2006. - С. 56-59. (Особистий внесок дисертанта полягав у виконанні польових, аналітичних та експериментальних робіт, постановці експерименту, обробці інформації, складанні рівнянь регресії та узагальненні результатів).

Размещено на Allbest.ru

...