Землеустройство агроландшафтов Приволжской возвышенности с применением современных программных средств и данных космического мониторинга

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 332.37

ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО АГРОЛАНДШАФТОВ ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ И ДАННЫХ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 1

Земли Приволжской возвышенности исторически являются территорией сельскохозяйственного производства, поэтому их отличает значительная степень трансформации в результате хозяйственной деятельности человека. Из-за высокой интенсивности аграрного освоения земель и сложного рельефа местности, изрезанного разветвленной овражно-балочной сетью, сельскохозяйственные угодья подвержены водной эрозии и дефляции (рис. 1).

В 1950-1987 годах на Приволжской возвышенности активно внедряли почвозащитные системы земледелия и землеустройства, направленные на регулирование поверхностного стока воды и интенсивности водно-эрозионных потерь почвы. За годы аграрной и земельной реформ, в результате чего произошло увеличение количества новых землевладельцев и землепользователей, объем таких работ резко сократился. Как результат, часть угодий была выведена из сельскохозяйственного производства и в настоящее время находится в бросовом состоянии, зарастает травянистой и кустарниковой растительностью. Другая же часть интенсивно используется собственниками и пользователями в сельском хозяйстве, но без соблюдения научно обоснованных рекомендаций, руководствуясь конъюнктурой рынка и стремлением по получению прибыли в кратчайшие сроки.

В ежегодных отчетах Управления федеральной службы государственной регистрации, кадастра и картографии (Росреестра) и Министерства сельского хозяйства России из-за использования устаревших планово-картографических материалов и формального проведения государственного земельного контроля и учета земель не отражается актуальная ситуация по состоянию и использованию земель сельскохозяйственного назначения.

В настоящее время правительством страны осуществляется новая государственная политика, изложенная в Концепции долгосрочного социально-экономического развития РФ на период до 2020 года (далее, Концепция 2020) [1] по обеспечению потребностей населения сельскохозяйственной продукцией и продовольствием отечественного производства за счет улучшения и повышения продуктивности используемых в сельскохозяйственном производстве

Т.Н. Ковалева 1 Ф.Н. Лисецкий 2

На примере агроландшафтов Приволжской возвышенности обоснована необходимость проведения землеустройства сельскохозяйственных земель с использованием данных космического мониторинга. Рассмотрены вопросы дешифрирования необрабатываемых и используемых по нецелевому назначению земель, предложена методика картографирования антропогенной преобразованности агроландшафтов по материалам дистанционного зондирования Земли. Это позволяет на основе обновленного картографического материала оценить современное состояние земель сельскохозяйственного назначения; осуществлять земельный контроль и управление территориями; проводить учет, мониторинг, прогнозирование и планирование использования земель.

1 Саратовский государственный университет им. Н.И. Вавилова, Россия, 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1 E-mail: tnk2003@list.ru

2Белгородский государственный национальный исследовательский университет,

Россия, 308015, г. Белгород,

ул. Победы, 85

E-mail: Liset@bsu.edu.ru

Ключевые слова: землеустройство, агроландшафты, картографирование, дешифрирование, космический мониторинг.

Введение

1 Работа выполнена при грантовой поддержке РФФИ: № 11-05-90705-моб_ст.

земельных и других природных ресурсов; сохранения и улучшения природных ландшафтов; улучшения почвенного плодородия, модернизации мелиоративных систем и расширения мелиорированных земель.

Сходными проблемами по выявлению земель, пригодных для введения их в сельскохозяйственный оборот, обеспокоено и мировое сообщество. В связи с этим, такие организации как Организация ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства (FAO), Европейский союз (EU), Программа по охране окружающей среды ООН (UNEP) и Министерство сельского хозяйства Соединенных Штатов (USDA) помогают как развитым, так и развивающимся странам создать актуальные и полные базы данных о землепользованиях. Трудности составления таких баз данных связаны с плохой связью между производителями специализированного программного обеспечения, поставщиками данных, уровнем освоения информационных технологий специалистами и конечными пользователями.

Рис. 1. Агроландшафты Приволжской возвышенности

Более чем полувековой опыт борьбы с почвенно-деградационными процессами в различных странах мира показал, что от внедрения отдельных почвозащитных приемов и их комплексов необходимо переходить к высокотехнологичному обоснованию территориальной организации агроландшафтов и смежных земель, в структуре которой почвозащитная система земледелия представляла бы целостную и органично вписанную подсистему [2]. В связи с этим необходимо новое проектирование или корректировка землеустройства агроландшафтов на основании точных и оперативно полученных данных по использованию и состоянию земель сельскохозяйственного назначения. Проведение таких работ возможно только путем получения в кратчайшие сроки данных крупномасштабных космических съемок, дешифрирования материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и создания актуального картографического материала средствами специализированных ГИС-программ для последующего проведения землеустроительных работ. А, следовательно, весьма актуальным становится совершенствование технологий в этой области.

Объекты и методы исследования

В рамках научной работы, проведенной при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) в 2011 году, нами разработана методика землеустройства антропогенно преобразованных агроландшафтов с использованием данных космического мониторинга. В НИУ «БелГУ» опорным структурным подразделением Учебно-научного и инновационного кластера «Геоинформатика и технологии дистанционного зондирования Земли в

экологии и рациональном природопользовании» является Федерально-региональный центр аэрокосмического и наземного мониторинга объектов и природных ресурсов. Центр оснащен многофункциональными аппаратно-программными комплексами, что позволяет реализовать технологии дистанционного и наземного мониторинга, обеспечивающие проведение работ в области ГИС-технологий и формировании Российской инфраструктуры пространственных данных как информационной основы устойчивого развития регионов [3].

Центром созданы информационные и технологические основы для подготовки к использованию в системе дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения актуализированной картографической и спутниковой информации, данных мониторинга фитосанитарной обстановки, агроклиматических данных, статистической информации и интеграции пространственных данных, а также апробации моделей зависимости климатических данных и показателей эффективности сельскохозяйственного производства по агроклиматическим зонам [4].

Объектом исследования выбраны агроландшафты Приволжской возвышенности. При проведении исследований использовали следующие материалы: цифровые крупномасштабные космические снимки со спутников Quick Bird (М 1:4000 с разрешением 2.4 м) и Landsat 5 (многозональные снимки с пространственным разрешением 30 м), находящиеся в открытом доступе. Также использовали архивные черно-белые крупномасштабные аэрофотоснимки, топографические и тематические карты исследуемой территории, данные полевых изысканий, проводимых на территории ЗАО «Синеньское» Саратовского района Саратовской области с 2003 года.

Цель исследования состояла в разработке методики картографирования антропогенной преобразованности агроландшафтов по материалам ДЗЗ для оценки уровня использования земель Приволжской возвышенности и масштабов их деградации, а также в обосновании путей применения данных дистанционного зондирования (ДДЗ) для целей землеустройства сельскохозяйственных предприятий.

Исследование включало несколько этапов: предполевой камеральный; полевые изыскания; камеральный этап окончательного дешифрирования космических снимков, геоин-формационного картографирования и разработки проекта землеустройства территории. Схема и последовательность работ приведены на рисунке 2. Для обработки космических снимков использованы специализированные программные продукты ENVI, ERDAS Imagine и ArcGIS.

Предполевые камеральные работы: сбор и анализ разновременных материалов на исследуемую территорию

И

Полевые изыскания и получение ДДЗ на исследуемую территорию

Учет и анализ использования земель

Прогнозирование и планирование использования земель сельскохозяйственного назначения

Разработка проектов м Государственный

землеустройства контроль и мони-

и экономико-математической W торинг земель

модели производства

Обновление плановокартографического материала, разработка ГИС территории исследования

Рис. 2. Технологические этапы землеустройства агроландшафтов с использованием ДДЗ

Результаты и их обсуждение

Как показано ранее [5], геоинформационные технологии позволяют автоматизировать обработку не только пространственно координированной информации, но и временной составляющей географических структур, обеспечивая проведение объективной классификации антропогенных модификаций ландшафта.

При проведении агроландшафтных исследований использованы космические снимки масштабного ряда (для соблюдения принципа дешифрирования от общего к частному), спектрального ряда, временного ряда (выполненные в разное время года и разное время суток), ретроспективные снимки (с интервалом съемки в несколько лет).

Обработку ДДЗ проводили в несколько этапов (рис. 3): привязка снимков к топографической основе, классификация объектов на снимке, получение тематических векторных слоев, ГИС-картографирование на территорию исследования.

Рис. 3. Схема построения ГИС по ДДЗ

На начальном этапе выполнения проекта все спутниковые данные прошли геометрическую корректировку в программном комплексе ENVI, что необходимо для их корректного взаимного сопоставления. Затем средствами ERDAS Imagine проведена классификация объектов на основе их спектральных признаков. Для целей сельскохозяйственного картографирования процесс обработки и интерпретации ДДЗ включал следующие этапы: устранение геометрических искажений, исключение из анализа облачных областей, выделение посевов сельскохозяйственных культур, расчет и анализ вегетационных индексов, верификация результатов по данным наземных обследований, построение карт оценок состояния посевов.

При этом комплексный и оперативный характер агроландшафтных исследований достигался путем совместного использования результатов долговременных инструментальных наблюдений на стационарных площадках и временных серий космических изображений, позволяющих наблюдать за динамикой компонентов природных систем и фенологическими сменами растительного покрова. Полученные при дешифрировании классы векторизовали в тематические слои в программе ArcGIS: гидрографическая и овражно-балочная сети, сельскохозяйственные угодья (обрабатываемые и не обрабатываемые), леса и защитные лесные насаждения, застроенные территории, инфраструктура.

Вопрос выявления неиспользуемых и нерационально используемых земель крайне актуален для современной России. Кадастровый учет земель и ежегодная отчетность землепользователей не дают объективной информации об использовании земель сельскохозяйственного назначения по угодьям. В то же время, при выявлении бросовых земель (залежей) по космическим снимкам возникает проблема верификации результатов в связи со схожестью спектральных характеристик необрабатываемых земель с залежными, пастбищными и сенокосными участками.

Поэтому, нами был выбран нестандартный путь решения данного вопроса методом дедукции - от общего к частному. Для выявления неиспользуемых и нерационально используемых земель мы, в первую очередь, построили карты распределения сельскохозяйственных культур. При этом с максимальной точностью картографировали пахотные земли, применяя нормализованный разностный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). NDVI коррелирует с плотностью растительности, всхожестью посевов, продуктивностью угодий. Индекс рассчитывается как отношение разности значений отражения в ближней инфракрасной и красной областях спектра к их сумме. Значения NDVI находятся в диапазоне от -1 до 1. Для зеленой растительности отражение в красной области всегда меньше, чем в ближней инфракрасной, за счет поглощения света хлорофиллом, поэтому значения NDVI для растительности не могут быть меньше нуля (табл. 1). Картограмма индекс NDVI являлась основой для выявления типов объектов земной поверхности.

Таблица 1

Значения NDVI для разных типов объектов [6]

Тип объекта Коэффициент отражения в красной области спектра Коэффициент отражения в ближней инфракрасной области спектра Значение NDVI

Густая растительность 0.1 0.5 0.7

Разреженная растительность 0.1 0.3 0.5

Открытая почва 0.25 0.3 0.025

Облака 0.25 0.25 0

Снег и лед 0.375 0.35 -0.05

Вода 0.02 0.01 -0.25

Искусственные материалы (бетон, асфальт) 0.3 0.1 -0.5

Во время вегетационного периода отражающая способность растительности меняется в красном и ближнем инфракрасном каналах и зависит от многих факторов, в том числе от ко-

личества зеленой фитомассы и густоты растительного покрова. Расчет ЫБУ1 позволил выявить проблемные зоны угнетенной растительности, давая возможность принимать наиболее верные управленческие решения, обеспечивающие повышение урожайности возделываемых культур.

При помощи статистической обработки карт ЫБУ1 помимо определения количества фитомассы можно также выделить площади посева различных сельскохозяйственных культур. Значения ЫБУ1 растут по мере возрастания густоты растительности. Водная поверхность имеет отрицательное значение ЫБУ1, обнаженная почва без растительности и различные породы дают значения ЫБУ1 около нуля.

В связи с этим, выявление неиспользуемых и нерационально используемых земель основано на мониторинге земель сельскохозяйственного назначения путем создания периодических карт значений ЫБУ на район наблюдения. Это позволяет получать текущие оценки зеленой фитомассы относительно средних многолетних значений, типичных для конкретной территории. После соединения разновременных изображений, результатов классификации спектральных яркостей, полученной по материалам дешифрирования космических снимков, с существующей картой растительного покрова землепользования и календарными данными об урожае, мы можем четко выявить границы обрабатываемых и не обрабатываемых угодий. В таблице 2 приведены данные, получаемые при дешифрировании снимков, сделанных в разные месяцы года.

Необходимо отметить, что органичная увязка возможностей ГИС-технологий и данных ДЗЗ помогает проводить мониторинг состояния естественных угодий, пастбищ и сенокосов, выявлять географические особенности и темпы развития эрозионных процессов и определять приоритетные районы для внедрения противоэрозионных мероприятий [7-9].

Большое значение для создания проектов землеустройства сельскохозяйственного предприятия на основе ГИС-технологий имеет правильный подбор и полнота аналитических данных о землепользовании. Схема увязки данных об агроландшафте в тематической землеустроительной ГИС представлена на рисунке 4.

Таблица 2

Тематика данных, получаемых при дешифрировании космических снимков (КС), полученных в течение календарного года

Дата съемки Данные, получаемые по результатам дешифрирования КС

Октябрь-март динамика снежного покрова; оценки влагонакопления, готовности угодий к следующему сезону.

Апрель-май степень увлажнения почв и температура поверхности; площадь земель, занятая сельскохозяйственными культурами; площадь пашни, занимаемая озимыми культурами; площадь земель без осенней послеуборочной обработки почвы; площади земель, на которых проведены инженерно-мелиоративные мероприятия; оценка состояния озимых культур для выявления и определения площади ареалов деградированных и погибших озимых; оценка качества проведения осушительной мелиорации.

Июнь-июль площадь земель под зерновыми, пропашными и техническими культурами; площадь паров и степень их засоренности, необходимость противосорняковых мероприятий; динамика сенокосных работ; участки, требующие внесения удобрений и ядохимикатов в почву для повышения продуктивности; оценка состояния всходов; выявление очагов повышенной засоренности и поражения зерновых культур; проведение оперативной оценки состояния растительности и фитомассы урожая; проведение мониторинга и оценки качества оросительных работ; прогнозирование и предварительная оценка урожайности сельскохозяйственных культур.

Август-сентябрь мониторинг уборочных работ и оценка готовности угодий к следующему сезону.

Составление высокоточных карт землепользований по угодьям для максимально правильного подсчета не используемых и не рационально используемых земель основывается на использовании крупномасштабных космических снимков с высоким пространственным разрешением.

Накапливая многолетние данные периодических карт значений ЫБУ1 на район наблюдения, и сопоставляя полученный планово-картографический материал, можно сделать вывод об уровне и эффективности использования каждого конкретного землепользования. Данная методика может быть использована при проведении государственного земельного контроля и при принятии решений об изъятии не рационально используемых земель для их последующего перераспределения.

По результатам проведенных нами исследований на основании дешифрирования ДДЗ по вышеизложенной методике выявлено, что 42% сельскохозяйственных угодий на изучаемой территории не обрабатывается и находится в залежном состоянии.

Рис. 4. Тематические карты в ГИС и их взаимосвязь при разработке проекта землеустройства агроландшафта

Большая часть этих земель расположена на склоновых землях с уклоном от 3 до 5°, снижение интенсификации их использования в сельском хозяйстве и перевод в залежное состояние способствует развитию природной степной растительности, свойственной для данной территории, повышению биологического и ландшафтного разнообразия, оздоровлению водных объектов, примыкающих к эрозионно опасным позициям агроландшафтов. Но на пахотных землях сельскохозяйственное производство часто ведется без соблюдения научно обоснованных рекомендаций, что приводит к усиленному выносу питательных элементов из почвы и дальнейшему развитию эрозионной деградации земель.

Выводы

Таким образом, внедрение результатов космического мониторинга агроландшафтов позволило уточнить данные государственного кадастрового учета земель, получить сведения о качественном состоянии земель, уровне интенсификации земледелия и развитии деградаци-онных процессов на территории, выявить нерациональное использование и использование не по целевому назначению земель сельскохозяйственного назначения. Кроме того, удалось собрать необходимые сведения для проведения землеустройства сельскохозяйственных предприятий.

Предлагаемая методика картографирования антропогенной преобразованности агроландшафтов позволяет в кратчайшие сроки обеспечить проектные организации и органы государственной власти в сфере рационального природопользования достоверными сведениями о количественном и качественном состоянии земель сельскохозяйственного назначения, может способствовать более эффективному землеустроительному проектированию на агроландшафт-ной основе в соответствии с научно-обоснованными рекомендациями для каждой конкретной территории. Для этого помимо специальных программ для агроменеджмента на базе геоин-

формационных систем, а также аэрокосмических снимков востребованы такие технологии, как системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС).

Это позволит не только реализовать Концепцию 2020, но и сделать существенный шаг к осуществлению идеи В.И. Вернадского о ноосфере, по крайней мере, для организации экологически ориентированного аграрного производства. Применение ГИС-технологий и ДЗЗ при землеустройстве сельскохозяйственных предприятий позволяет систематизировать и использовать совокупность накопленных данных и знаний, решать проблему рационального природопользования на первоначальной стадии путем формирования экологически устойчивых землепользований, рационального ведения сельскохозяйственного производства.

1. Распоряжение Правительства РФ № 1662-р от 17.11.2008 г. «Об утверждении концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.consultant.ru, свободный. - Загл. с экрана.

2. Лисецкий Ф.Н. Пространственно-временная организация и почвозащитное обустройство агроландшафтов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук. -Одесса, 1994. - 35 с.

3. Давыденко Т.М., Лисецкий Ф.Н., Пересыпкин А.П. Создание и развитие университетских учебно-научных инновационных комплексов в сфере геоинформатики и природопользования как фактор интеграции науки, образования и бизнеса // Земля из космоса: наиболее эффективные решения. - 2010. -№5. - С. 37-44.

4. Организация экологического мониторинга природно-технических систем средствами Центра коллективного пользования Белгородского госуниверситета / Ф.Н. Лисецкий, А.Э. Боровлев, С.А. Кунгур-цев и др. // Экологические системы и приборы. - 2007. - №7. - С. 3-7.

5. Замураева М.Е., Нарожняя А.Г., Мозговая О.М. Использование моделей геообработки для исследования антропогенных модификаций ландшафтов // Проблеми безперервної географічної освіти і картографії: Збірник наукових праць. - Харків: ХНУ ім. В.Н. Каразіна, 2010. - Вып. 12. - С. 61-67.

6. Вегетационные индексы. Основы, формулы, практическое использование [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://mapexpert.com.ua/index_ru.php?id=20&taЪle=news, свободный. - Загл. с экрана.

7. Ландшафтно-интерпретационное картографирование / Т.И. Коновалова, Е.П. Бессолицына, И.Н. Владимиров и др. - Новосибирск: Наука, 2005. - 424 с.

8. Перфильев С.Е. Технологии ГИС-картографирования ДДЗ в космическом аграрнопромышленном мониторинге. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gisa.ru/53045.html, свободный. -Загл. с экрана.

9. Юферев В.Г. Агролесомелиоративное картографирование и моделирование деградационных процессов на основе аэрокосмического мониторинга и геоинформационных технологий: автореферат дис. докт. с.-х. наук. Волгоград - 2009. - 24 с.

Список литературы

LAND MANAGEMENT OF AGROLANDSCAPES OF VOLGA UPLAND USING MODERN SOFTWARE TOOLS AND DATA OF SPACE MONITORING

2 Belgorod State National Research University, Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia E-mail: Liset@bsu.edu.ru

1 Saratov State Agrarian University, Teatralnaya Sq., 1, Saratov, 410012, Russia

E-mail: tnk2003@list.ru

T.N. Kovaleva 1 F.N. Lisetskii 2

In the example of agrolandscapes of the Volga Upland the necessity of land management of agricultural territories with application of modern software and remote sensing data is proved. Authors considered questions of the decoding of not processed lands and used on no-purpose appointment; offered the technique of mapping anthropogenous changes of agrolandscapes on materials of remote sensing of the earth. It allows to estimate a modern condition and level of use of the agricultural lands on the basis of the updated maps; to carry out the operative state land control and management of territories; to keep records, to monitor, to carry out forecasting and planning of use of lands.

Key words: land management, agrolandscapes, mapping, decoding, space monitoring.