Совершенствование методики крупномасштабного агроландшафтного картографирования на основе применения беспилотных летательных аппаратов

Сельское хозяйство, как по числу занятых, так и по вкладу в ВВП, является одной из важнейших отраслей экономики Республики Казахстан. В Северо-Казахстанской области (СКО), ведущем агропроизводителе страны, где сельскохозяйственное землепользование исторически выступает фоновым видом природопользования, доля агросектора в ВРП неуклонно возрастает и на протяжении последних лет превышает 50 % [Пашков, Носонов, 2019]. В связи с этим повышение эффективности сельскохозяйственного производства, обеспечение устойчивого функционирования и продуктивности сельскохозяйственных угодий выступает важнейшей задачей государственной политики. Особую актуальность в свете данного приоритета приобретает комплексное изучение агроландшафтов, их картографирование, проектирование и создание агроландшафтных карт, формирование специализированных баз данных.

В настоящее время значительная роль в картографировании, разработке и создании карт и других видов картографических произведений принадлежит новейшим технологиям. К их числу относятся геоинформационные (технологии географических информационных систем, ГИС), дистанционные (основанные на использование дистанционных методов исследования, материалов аэрофото- и космической съемки, систем глобального позиционирования), специализированное программное обеспечение. Данные технологии и связанные с ними программные средства используются не только для проектирования и создания различных карт и моделей, но и одновременно применяются для получения, обработки и анализа пространственной информации об изучаемых объектах, явлениях и процессах, их свойствах и структурных компонентах, позволяя оптимизировать и повысить качество выполняемых исследований [Берлянт, 1997].

Однако в агроландшафтных исследованиях названные технологии не получили должного распространения. В основном они используются в единичных случаях при изучении агроландшафтов отдельных территорий и нуждаются в разработке новых подходов к их применению. В связи с этим необходимо решение вопросов, связанных с разработкой и совершенствованием методических аспектов геоинформационного агроландшафтного картографирования и моделирования, подготовки отраслевых агроландшафтных карт, оперативного формирования специализированных баз и банков данных, содержащих комплексную информацию об агроландшафтах и их структурных компонентах и др. [Каторгин, 2004; Трапезникова, 2004; Перфильев, 2008; Дорохина, 2009; Ольшевский, 2009; Тес- ленок, Манухов, 2011].

Кроме того, необходимо учитывать, что современный этап развития сельского хозяйства нуждается в решении проблем оптимизации структуры землепользования, исторически сложившейся в процессе хозяйственного освоения, создания и сохранения оптимального ландшафтно-экологического баланса, при максимальном учете и сохранении естественных ресурсов [Stinner et al., 1989; Dumanski, Pieri, 2000; Wesel et al., 2009; Dore et al., 2011]. Реализация этих задач требует обоснованных и своевременных управленческих решений, основанных на результатах региональных агроландшафтных исследований. Развитие этого направления предполагает создание обширной тематической информационной базы, обработку и анализ огромного количества информации об особенностях агроланд- шафтных систем. И здесь также могут найти применение информационные компьютерные технологии, и в первую очередь - ГИС-технологии, которые служат исходной базой принятия оперативных управленческих решений [Тесленок, 2014; Тесленок и др., 2019].

Большое значение в агроландшафтных исследованиях имеет крупномасштабное картографирование агрогенных ландшафтов, создание детальных агроландшафтных карт отдельных хозяйств для решения конкретных задач. Одним из способов получения детальной, высокоточной информации в полевых географических исследованиях для изучения и мониторинга небольших площадей является аэрофотосьемка с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). БПЛА - это летательный аппарат без экипажа на борту, обладающий разной степенью автономности, конструкцией и назначением, способный осуществлять съемку в заданном режиме. В настоящее время метод дистанционного картографирования с помощью БПЛА становится особенно перспективным способом получения геодезической основы для создания цифровых карт крупных масштабов [Зубарев и др., 2009].

Актуальность предпринятого исследования определяется необходимостью разработки подходов автоматизированного создания агроландшафтных карт путем использования методов геоинформационного картографирования и моделирования на основе ГИС и материалов съемки с БПЛА.

Целью исследования являлось проведение пространственного анализа и картографирование агроландшафтов СКО на местном (локальном) уровне с применением дистанционных методов и геоинформационных технологий.

Геоинформационное картографирование агроландшафтов и построение агроландшафтной карты СКО в ГИС-среде на региональном уровне выполнялось авторами ранее [Мажитова, 2018]. Представленная работа посвящена агроландшафтному картографированию с применением дистанционных методов исследования и геоинформационных технологий.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлись агроландшафты СКО. Для изучения и геоинформационного картографирования агроландшафтов региона определен опорный участок. Исследуемый участок располагается на территории Кызылжарского района (Вагулинский сельский округ, в 1 км к северо-западу от с. Соколовка, вблизи оз. Лебяжье), в пределах староосвоенного района с 270-летней историей континуального земледелия южной лесостепи Западно-Сибирской равнины. Космический снимок района исследования представлен на рис. 1.

Данный опорный участок являлся рабочей основой для геоинформационного картографирования элементарных агроландшафтов низшего иерархического уровня, пространственного анализа и оценки их современного состояния, разработки крупномасштабной агроландшафтной карты и специального содержания к ней, создания базы геоданных.

Теоретико-методологической основой исследования послужили труды в области картографии и геоинформатики: К.А. Салищева, А.М. Берлянта, В.С. Тикунова и др. Кроме того, изучен и учтен опыт и результаты прикладных геоинформационно- картографических исследований: В.А. Николаева, И.Ю. Каторгина, С.А. Тесленка, А.В. Ольшевского, С.Е. Перфильева и др.

При выполнении исследований опирались на общие теоретические представления об агроландшафтах, как о сложных природно-антропогенных системах, изложенные в работах В.А. Николаева, В.И. Кирюшина, А.А. Юртаева, М.И. Лопырева, В.М. Яцухно, А.С. Помелова, К.В. Зворыкина, В.И. Булатова и др.

Рис. 1. Космический снимок исследуемого участка Fig. 1. Space snapshot of the site under investigation

В качестве исходных материалов исследования привлечены литературные и картографические источники, в т.ч. топографические карты, карты землеустройства региона, фондовые материалы, а также данные и результаты полевых работ авторов. Для выполнения исследования и картографирования агроландшафтов на локальном уровне и детального изучения их структурных компонентов использованы материалы аэрофотосъемки с БПЛА.

На предварительном этапе исследования проведен анализ исходных материалов, изучены природно-ландшафтные, агрохозяйственные особенности рассматриваемой территории. Определено положение исследуемого участка в системе ландшафтной иерархии региона. На месте съемки проведены полевые ландшафтно-географические исследования, составлена физико-географическая характеристика района работ, дано комплексное описание природных компонентов, определено точное местоположение, высота местности.

Важным этапом подготовительных работ являлось определение и расчет параметров аэрофотосъемки, пространственного разрешения цифровых снимков, высоты фотографирования, а также планирование маршрута съемки с использованием программных средств и системы автоматического управления БПЛА.

Съемка участка осуществлялась ТОО "GEOSCAN-Kazakhstan" аэрофотосъемочным комплексом "Геоскан-201М" Агро/Геодезия. Высота съемки - 280 м. Видимый диапазон 5 см/пиксель, мультиспектральный 13 см/пиксель. Камеры SonyRX-1 (видимый диапазон), MicasenseRedEdgeM (мультиспектральная 5-канальная).

Достоверность координатной привязки полевых исследований и фотоснимков БПЛА обеспечивалась использованием GPS-приемника, электронной топографической основы. Кроме того, в процессе съемки проводилась геометрическая коррекция геоизображений.

Результаты исследования

По результатам съемки получена серия аэрофотоснимков исследуемого района с привязкой к географическим координатам. Полученные снимки характеризуются высокой точностью и детальностью изображения. Благодаря высокому уровню разрешения, обеспечивается достаточно высокая точность идентификации изображенных объектов местности и определения их свойств, метрических характеристик. На основе полученных снимков выполнен анализ устройства поверхности рассматриваемого участка. Особое внимание уделено микрорельефу, который служит основой для изучения и выделения границ первичных структурных элементов агроландшафтов. Материалы съемки позволили выявить в пределах изучаемого участка небольшие понижения, потяжины, микроложбины, бугры, следы временных водотоков, направления обработки почвы сельскохозяйственной техникой.

На рис. 2 представлены аэрофотоснимки исследуемого участка, полученные в ходе съемки с БПЛА "Геоскан-201М".

Рис. 2. Серия аэрофотоснимков изучаемого участка, полученная с БПЛА "Геоскан-201М" Fig. 2. Series of aerial photographs of the site under study, received from "Geoskan-201M" UAV

Материалы съемки после предварительной обработки переводились в обменный формат, совместимый с геоинформационной системой, и импортировались в нее для дальнейшей работы. На этапе импорта цифровых аэрофотоснимков исключались снимки низкого качества. Обработка материалов съемки выполнялась средствами ГИС ArcGIS 10.1 (ESRI Inc.) с использованием современного программного обеспечения Agisoft Photo Scan Professional Edition. Программное обеспечение, функционал и набор инструментов ArcGIS 10.1 (ESRI Inc.) позволяют выполнить векторизацию (оцифровку) материалов аэрофотосъемки, получить ортофотоплан необходимого масштаба, матрицы высот местности, разработать и составить специализированные карты и цифровые картографические модели (цифровую модель рельефа - ЦМР, цифровую модель поверхности - ЦМП, карту пластики рельефа, SD-модель и др.) участка исследуемой территории.

В процессе работы осуществлена векторизация объектов местности, выделены границы поля опорного участка, проведен морфометрический анализ рельефа, определены высоты поверхности, уклоны, экспозиции склонов, сформированы специализированные атрибутивные данные (рис. 3).

Рис. 3. Изображение опорного участка в спектре высот поверхности

Fig. 3. Image of the reference area in the surface height spectrum

Созданная в ГИС электронная карта изучаемого участка и сформированные атрибутивные данные служат исходной основой для разработки и создания различных тематических карт и картографических моделей, необходимых для осуществления дальнейших агроландшафтных исследований (рис. 4).

Рис. 4. Опорный участок в рабочем окне ArcGis 10.1 (ESRI Inc.)

Fig. 4. ArcGis 10.1 Work Window Reference Area (ESRI Inc.)

Геоинформационная система позволяет представить в виде отдельных слоев основные структурные компоненты агроландашфтов (рельеф, почвообразующие породы, почвы, сельскохозяйственные культуры и др.), а в соответствующих атрибутивных таблицах - их количественные и качественные характеристики. В ГИС-среде могут быть созданы и сохранены различные дополнительные слои и атрибутивные данные по ним: результаты агрохимического анализа почв, их кислотность, механический состав, удельное сопротивление, предшествующие культуры в системе севооборотов и др. ГИС, совмещая анализ агрометеорологических сведений, данных механического и химического состава почвы, позволяет создать точную карту агроэкологических условий территории рассматриваемого района. К числу возможностей ГИС-технологий относится осуществление электронной записи и хранения истории полевых работ, урожайности и других характеристик и показателей по сельскохозяйственным угодьям, отдельным поля. Тем самым, данные технологии позволяют обоснованно управлять производственным процессом.

На основе материалов съемки БПЛА возможно осуществлять расчеты специальных индексов ((Normalized Difference VegetationIndex, NDVI и др.) и производить оценочные работы. Так вегетационный индекс (NDVI) позволяет оценивать состояние возделываемых сельскохозяйственных культур и прогнозировать финансовые затраты и риски (рис. 5). С помощью данного индекса появляется возможность выявлять проблемные места на поле и причины плохой всхожести. По индексу вегетации (NDVI) и температуры подстилающей поверхности можно определить и провести оценку фотосинтетически активной радиации, разработать карты с областями и ареалами созревания культур.

¦14,80 147,

Рис. 5. Расчет индекса NDVI в ГИС

Fig. 5. Calculation of NDVI index in GIS

Материалы съемки с БПЛА могут быть использованы для эффективной организации структуры сельскохозяйственного землеустройства, планирования размещения посевов определенных видов и сортов возделываемых культур, расчета норм внесения удобрений и средств защиты растений, а также более точного предсказания урожайности и финансового планирования. Наряду с этим, съемка с применением БПЛА позволяет определить состав возделываемых сельскохозяйственных культур, состояние их посевов, установить локальные причины болезней культур и их зараженности вредителями, локальных уплотнений почвы, снижения урожайности на отдельных полях и их участках и др.

Аэрофотоматериалы БПЛА служат ценным источником пространственной информации при изучении динамики сельскохозяйственного освоения территории, моделирования и прогнозирования агрогенной трансформации природных ландшафтов. Позволяют изучить морфологические элементы агроландшафтов, систематизировать агроландшафты местного (локального) уровня [Перфильев, 2007; Пензева, Петрищев, 2008].

Следует отметить, что аэрофотосъемка с БПЛА может получить широкое применение в развитии точного (координатного или прецизионного) земледелия, внедрения приемов адаптивно-ландшафтного землепользования. При этом подходе решаются вопросы развития экологоприемлемого сельскохозяйственного производства и обеспечения устойчивого состояния агроландшафтов, снижения рисков в сельскохозяйственном производстве, обусловленных природными факторами и условиями. В основе научной концепции точного земледелия лежат представления о существовании неоднородностей в пределах одного поля. Иными словами, природные условия - климатические показатели, погодные явления (термический режим, увлажнение, распределение солнечной радиации, освещенность и др.), характеристики и свойства почвы (гранулометрический состав, мощность гумусового слоя, обеспеченность основными элементами питания растений и др.), а также засоренность и заселенность болезнями и патогенами внутри одного поля подобны, но неодинаковы. На каждом отдельном участке посевной площади они носят локальные различия. Точное земледелие основано на учете дифференцированности среды обитания посевов сельскохозяйственных культур в пределах отдельного поля.

Показатели, получаемые с метеостанций и агропостов, данных агрохимических служб и других источников, экспертная оценка агрономов, дают, главным образом, информацию о базовых, общих агроэкологических условиях и не позволяют учесть локальные особенности. Именно спутниковая съемка и аэрофотосъемка с БПЛА в совокупности с новейшими технологиями позволяет изучить и оценить на каждом отдельном поле или его участке все неоднородности природных условий, на основе их анализа и учета определить потребности всходов в увлажнении, необходимость дополнительного полива, внесения удобрений и др. Тем самым, данные технологии позволяют обоснованно управлять культурами на уровне поля и помочь сельхозпроизводителям избежать серьезных потерь, повысить урожайность возделываемых культур [Зубарев и др., 2009].

Обязательным условием проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия является формирование геоинформационных систем (ГИС). Организация такой системы земледелия предполагает обязательный учет структуры природного ландшафта и условий его функционирования. Важным этапом построения адаптивно-ландшафтных систем земледелия является агроэкологическая оценка и агроэкологическое картирование земель, разработка проектов землеустройства, создание и внедрение банка данных, максимально характеризующих природные факторы и параметры произрастания сельскохозяйственных культур. В этом ключе применение аэрофотосъемки с БПЛА для получения точных данных и информации о морфометрии рельефа, гидрологических и других условиях существенно облегчит процесс разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия [Трифонова и др., 2002].

Заключение