Способ создания почвенных карт по результатам анализа данных дистанционного зондирования
METHOD FOR CREATING SOIL MAPS BASED ON THE RESULTS OF THE ANALYSIS OF REMOTE SOUNDING DATA

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение относится к области сельского хозяйства, а именно к точному прецизионному координатному земледелию, и предназначено для использования при создании почвенных карт на основе мультивременной линии почвы по результатам анализов данных дистанционного зондирования.
Использование спутниковой информации широко распространено в настоящее время в сельскохозяйственных работах. Спутниковым снимки помогают получать в динамике информацию о сельхозугодьях и вовремя реагировать на возникающие отклонения. Спутниковая навигация способствует повышению эффективности и точности проведения многих видов сельскохозяйственных работ.
Применение анализа спектральной характеристики открытой поверхности почвы по одному космическому снимку известно в координатном земледелии. Однако в настоящее время задача получения интегральной характеристики изменений спектральных характеристик почвы за десятки лет является очень актуальной. Интегральными характеристиками являются значения коэффициентов мультивременной линии почв.
Известен предшествующий аналог заявляемого технического решения, способ диагностики почвенного покрова по данным дистанционной информации по патенту России на изобретение №2105974 от 30.12.1992 г., МПК: G01N 33/24, G01V 8/00, G03B 37/00, опубликованному 27.02.1998 г. В аналоге описан способ диагностики почвенного покрова по данным дистанционной информации, включающий проведение космической съемки, сбор тематических картографических материалов и проведение выборочных наземных исследований, причем с целью повышения результативности дешифрирования проводят многозональную съемку в трех каналах видимой и ближней инфракрасной части спектра, полученные результаты обрабатывают методом кластерного анализа, на основании которого составляют карту спектральных классов и таблицу их статистик, средние яркости кластеров представляют в координатах разностей спектральных яркостей r (0,5-0,6) мкм-r (0,6 0,7) мкм и r (0,8 0,9) мкм-r (0,6 0,7) мкм и координатах r (0,5 0,6) мкм и r (0,6 0,7) мкм, по положению кластеров в указанных координатах выполняют интерпретацию почвенного покрова, используя тематические карты и данные наземных исследований.
Общими признаками с заявляемым техническим решением являются создание почвенных карт с помощью проведения анализа спектральной характеристики открытой поверхности почвы, а также использование видимой и ближней инфракрасной части спектра.
Недостатки данного аналога связаны с целью его разработки, в основном направленной на повышение результативности интерпретации почвенного покрова по данным цифровой обработки многозональной съемки в условиях открытой поверхности и развитого растительного покров. Аналог характеризует предшествующее поколение способов диагностики почвы с проведением космической съемки и сбором тематических картографических материалов. В данном аналоге по патенту России на изобретение №2105974 не предусматривается анализ мультивременных рядов космической съемки.
Известен аналог следующего поколения, способ диагностики почвенного покрова по данным дистанционной информации по патенту России на изобретение №2327987 от 10.01.2006 г., МПК: G01N 33/24, G01C 11/00, опубликованному 27.07.2007 г., включающий проведение космической съемки, обработку полученных данных, сбор тематических картографических материалов и проведение выборочных наземных исследований; на основании полученных данных, тематических картографических материалов и данных наземных исследований корректируют почвенный покров, причем дополнительно проводят космическую радиолокационную съемку в диапазонах длин волн 5,6 и 3,1 см, обрабатывают полученные данные и на основании полученных данных корректируют почвенный покров. В данном аналоге задачей разработки является повышение визуальной информативности диагностики почвенного покрова в условиях открытой поверхности и развитого растительного покрова. Дополнительное проведение космической радиолокационной съемки позволяет рассчитать трехмерные карты основных параметров рельефа и трехмерный каркас рельефа, которые влияют на дифференциацию почвенного покрова, что и повышает визуальную информативность диагностики почвенного покрова в условиях открытой поверхности и развитого растительного покрова.
Техническое решение патента РФ №2327987 обладает признаками сходства с заявляемым техническим решением, такими как применение спутниковой съемки Landsat в среднем инфракрасном (2,0-2,3 мкм) и ближнем инфракрасном диапазонах (0,8-0,9 мкм), отражающий внутриполевую неоднородность почвенного покрова при открытой поверхности почвы. В данном аналоге космические снимки содержат информацию о спектральной яркости различных природных объектов в трех спектральных диапазонах: в среднем инфракрасном (2,0-2,3 мкм), ближнем инфракрасном (0,8-0,9 мкм), зеленом диапазонах (0,5-0,6 мкм). К природным объектам различного происхождения относятся: открытая почва, растительность, водные объекты, горные породы и т.д. Различные природные объекты имеют индивидуальную спектральную отражательную способность в трех диапазонах, которая служит идентифицирующим признаком при проведении цифровой автоматической группировки пикселей в классы с одинаковыми значениями. Отличительной особенностью аналога по патенту РФ №2327987 является то, что дополнительно проводят космическую радиолокационную съемку. Радиолокационная съемка с синтезированной апертурой в С- и Х-диапазоне (длина волны 5,6 и 3,1 см соответственно) содержит информацию о высоте земной поверхности, которую используют для расчета трехмерных карт основных параметров рельефа (карта высот, карта экспозиции склонов, карта крутизны склонов).
К недостаткам аналога по патенту РФ №2327987 можно отнести относительную сложность использования при отсутствии диахронных мультивременных данных, поскольку диагностика почвенного покрова осуществляется в определенный момент времени и не учитывает изменений спектральных и радиолокационных характеристик во времени. Информативность повышается с помощью разработки трехмерных карт рельефа на основе данных радиолокации, однако эти карты характеризуют ситуацию только в определенный самим проведением измерений момент.
Известен способ (прототип) ускоренного выделения устойчивых внутрипольных контуров почвенного плодородия на сельскохозяйственных полях (агроконтуров) по патенту России на изобретение №2455660 от 24.03.2011 г., МПК: G01S 13/89, опубликованному 10.07.2012 г., при котором агроконтуры определяют сканированием рельефа поля с использованием приборов параллельного вождения (ППВ), установленных на автомобиле высокой проходимости или тракторе, при безостановочном движении автомобиля или трактора по полю параллельными проходами с заранее внесенными в электронную память ППВ расстояниями между смежными проходами и интервалами между опорными точками при наличии базовой станции, корректирующей сигналы навигационных спутниковых систем GPS или ГЛОНАСС, с фиксацией получаемых данных о географических координатах и превышениях опорных точек и перенесением этих данных посредством карты флеш-памяти в ноутбук или офисный компьютер с последующей обработкой их по специальному программному обеспечению типа «Карта-2011» и представлению в виде электронной карты поля с выделением на ней агроконтуров с учетом превышений опорных точек над нижней точкой рельефа поля и экспозиции склонов.
Общими признаками прототипа с заявляемым техническим решением являются создание почвенных карт с помощью спутниковой информации. Однако относительно узкий диапазон применения, привлечение автомобильно-тракторной техники, возможные ошибки в силу человеческого фактора делают способ-прототип неудобным для широкого диапазона исследуемых полей.
Способ-прототип не позволяет проводить анализ электронного картирования в мультивременном режиме, что снижает эффективность способа-прототипа, в то время как в заявляемом решении строится линия почвы не для конкретного кадра космической съемки, а для каждой точки поверхности Земли.
В настоящее время существуют методы картографирования почв по спектральным характеристикам открытой поверхности почв. Эти методы основаны на анализе одного кадра космической съемки. В числе этих методов находится и метод построения линии почвы, для чего задействованы два спектральных канала - RED (красный канал спектра) и NIR (инфракрасный канал спектра), показанные на чертежах Фиг. 1, 2.
Цель заявляемого технического решения - достижение возможности картографирования почвенного покрова на основе мультивременных данных дистанционного зондирования.
Техническая задача - создание достоверного и максимально приближенного к реальности в каждый момент времени картографического представления результатов анализа мультивременных данных дистанционного зондирования.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей картографирования, применение на практике оптимальных параметров способа создания почвенных карт по результатам анализа данных дистанционного зондирования на основе мультивременной спутниковой информации, построение линии почвы для каждой точки поверхности Земли по парам значений RED и NIR с различных кадров космической съемки за много лет. Достижение указанного результата обеспечивается особенностями заявляемого способа.
Заявляемое техническое решение позволяет определить для каждой точки исследуемой земной поверхности характерный уникальный набор десятков значений RED и NIR с получением набора коэффициентов мультивременной линии почв.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что способ создания почвенных карт по результатам анализа данных дистанционного зондирования включает создание почвенных карт с помощью спутниковой информации, при котором разрабатывают мультивременную линию почвы для каждой исследуемой точки поверхности Земли по парам значений RED и NIR из уникального набора десятков значений RED и NIR с различных кадров космической съемки за много лет, далее полученные значения аппроксимируют прямой линией и получают набор коэффициентов мультивременной линии почв либо проводят аппроксимацию в виде эллипса с получением характеристик эллипса и получают почвенную карту масштабом 1: 10 ООО и крупнее, отражающую внутриполевую неоднородность почвенного покрова.
Заявляемый способ проиллюстрирован чертежами фиг. 1-7, на которых изображены:
Фиг. 1 - график значений RED и NIR для одного кадра космической съемки;
Фиг. 2 - схема группировки спектральных значений в пространстве RED-NIR, определение коэффициентов «а» и «Ь» уравнения линии почвы, линии 1 и 2 - касательные к эллипсу открытой поверхности почвы;
Фиг. 3 - расположение значений RED-NIR разновременных кадров проекта по приобретению спутниковых снимков Земли Landsat для одной расчетной точки (пикселя) открытой поверхности почвы, цифрами обозначены: 1 - Landsat 5; 2 - Landsat 7; 3 - Landsat 8;
Фиг. 4 - эллиптическая аппроксимация и коэффициенты мультивременной линии почвы расчетной точки открытой поверхности почвы;
Фиг. 5 - почвенная карта, построенная по коэффициенту «С» эллиптической аппроксимации мультивременных значений RED и NIR для множества кадров космической съемки, где коэффициент С определяет удаленность центра эллипса от начала координат спектральной плоскости RED и NIR;
Фиг. 6 - почвенная карта ГИПРОЗЕМ, основная почвенная карта для сельскохозяйственных земель России, предшествующий уровень техники;
Фиг. 7 - расположение точек наземной верификации способа, топографическая основа.
Для пояснения картографических изображений фиг. 5-7 приводим таблицы 1, 2 и 3, в которых размещены значения и диапазоны для точек на карте.
Почвенная карта Фиг. 5 является подтверждением эффективности заявляемого способа. С данным картографическим изображением связаны значения коэффициента «С», наименования почв и величина мощности гумусового горизонта таблицы 1. Значения коэффициента «С», мощность гумусового горизонта и наименование почв в таблице 1 показаны для каждой точки, обозначенной на Фиг.5. Почвы диагностировались традиционной наземной почвенной съемкой (получались с помощью эмпирических измерений) в каждой указанной точке поля. Значения коэффициента «С» получены анализом мультивременных данных космической съемки.
Значения в таблице 2 показаны в виде диапазона значений коэффициента «С» для каждого вида почв.
Почвенная карта Фиг. 6 является основной базовой почвенной картой сельскохозяйственных земель и показывает, как подобные измерения на тех же полях, что на фиг. 5, выполнялись ранее. С картографическим изображением на фиг 6 связаны значения таблицы 3. Значения в таблице 3, которая является расшифровкой обозначения почв на почвенной карте Фиг. 6, показаны для каждого почвенного контура, обозначенного на Фиг. 6.
ПРИМЕР конкретного выполнения заявляемого способа
При конкретном применении заявляемого способа строится линия почвы не для конкретного одного кадра космической съемки, а для каждой точки поверхности Земли по парам значений RED и NIR с различных кадров космической съемки за много лет (Фиг. 3). При подобном подходе каждая точка поверхности Земли характеризуется уникальным набором десятков значений RED и NIR, а эти значения можно аппроксимировать прямой линией и получить набор коэффициентов мультивременной линии почв (Фиг. 4). Можно также провести аппроксимацию в виде эллипса и в этом случае можно получить характеристики эллипса (Фиг. 5). Уникальный набор значений RED и NIR позволяет получить и уникальный набор характеристик эллипса. Картографическое представление одной их характеристик эллипса представлено на рисунке Фиг. 5, где коэффициент «С» - удаленность центра эллипса от начала координат спектральной плоскости RED и NIR (Фиг. 4).
Если провести группировку значений коэффициента «С», то можно получить почвенную карту Μ 1:10000 и крупнее (Фиг. 5), и таким образом построить почвенную карту, отражающую внутриполевую неоднородность почвенного покрова. На рисунке Фиг. 6 дан пример существующей ранее (традиционной) почвенной карты.
В таблице 1 и на рисунке Фиг. 7 приведены данные наземных изысканий. Наземные данные показывают, что почвенная карта, полученная на основе анализа мультивременной линии почвы, существенно точнее традиционной почвенной карты.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что в заявляемом техническом решении разработан новый метод построения почвенных карт на основе анализа мультивременной линии почв.
Новым является предложенный принцип аппроксимации значений RED и NIR.
Заявляемое техническое решение позволяет решать задачи уточнения и оптимизации картографической информации для целей сельского хозяйства.
Подобное сочетание универсальности способа с относительной простотой использования в прототипе не достигнуто.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».