ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЕГРАДАЦИИ ЗЕМЕЛЬ
GEO-INFORMATION METHODS ESTIMATE THE PARAMETERS OF THE LANDS DEGRADATION
В.Г.Юферев, М.В.Юферев
V.G.Yuferev, M.V.Yuferev
ГНУ Всероссийский НИИ агролесомелиорации Россельхозакадемии
(400062, г. Волгоград-62, а/я 2153 проспект Университетский, 97)
SCE All-Russia Research Institute of Agroforestry of Russian Academy of Agricultural Sciences
(400062, Volgograd-62, P / 2153 University Prospect, 97, vyuferev1@rambler.ru)
Аэрокосмические исследования в совокупности с геоинформационными технологиями и компьютерным моделированием открывают новые возможности в комплексной оценке ландшафтов с учетом фактора времени. Одним из наиболее опасных процессов является водная эрозия почв на склоновых землях, определяемая выносом плодородного слоя (смытость). Склоновые земли присутствуют практически во всех агроландшафтах и являются потенциальным объектом деградации. В связи с этим выявление их параметров с использованием геоинформационных технологий дает возможность перейти к управлению их состоянием.
Aerospace research in conjunction with geographic information technology and computer modeling opens up new possibilities for complex evaluation of landscapes, taking into account the time factor. One of the most dangerous processes is water erosion on sloping lands, defined by the removal of topsoil (of erosion). Slope lands are present in virtually all agricultural landscapes and are a potential target for degradation. In this regard, the identification of their parameters with the use of GIS technology makes it possible to go to the management of their condition.
Ландшафты юга приволжской возвышенности являются сложной экологической системой, которая в жестких условиях аридных территорий юга России находится в состоянии неустойчивого равновесия. При этом внешнее воздействие на систему, превышающее порог устойчивости, выводит ее из этого состояния. Причем, как любая саморегулирующаяся система, он стремится вернуться в исходное состояние. Однако процессы естественного восстановления являются длительными по времени. В зависимости от вида деградации они могут длиться от нескольких лет до нескольких тысяч лет. В связи с этим важной научной задачей является изучение процессов изменения экологического состояния таких ландшафтов.
По данным Государственного (национального) доклада "О состоянии и использовании земель Российской Федерации в 2008 году" [1], практически во всех субъектах Российской Федерации продолжается тенденция по ухудшению состояния земель. Среди опасных негативных процессов на территории Российской Федерации
интенсивно развиваются эрозия, дефляция, заболачивание, засоление, опустынивание, подтопление, зарастание сельскохозяйственных угодий кустарником и мелколесьем и другие процессы, ведущие к потере плодородия сельскохозяйственных угодий и выводу их из хозяйственного оборота. Водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий, ветровой – 8,4%, переувлажненные и заболоченные земли занимают 12,3%, засоленные и солонцеватые – 20,1% сельскохозяйственных угодий. Эрозия является одним из наиболее опасных видов деградации, вызывающих разрушение почв и утрату их плодородия. Наиболее опасными в эрозионном отношении являются территории Приволжского (50,0%), Южного (24,3%) и Центрального (12,4%) федеральных округов. Рассматривая процессы деградации, интенсивность и пространственное распространение которых определяют состояние агролесоландшафтов, необходимо выделить совокупность показателей, характеризующих наиболее опасные из них.
Аэрокосмические исследования в совокупности с геоинформационными технологиями и компьютерным моделированием открывают новые возможности в комплексной оценке ландшафтов с учетом фактора времени [2].
Водная эрозия почв на склоновых землях, определяется выносом плодородного слоя (смытость). Склоновые земли присутствуют практически во всех агроландшафтах и являются потенциальным объектом деградации. В связи с этим выявление их параметров с использованием геоинформационных технологий дает возможность перейти к управлению их состоянием
Степень смытости определяется по космофотокартам или космофотопланам, создаваемым по космоснимкам высокого или сверхвысокого разрешения. Дешифрирование степени смытости осуществляется с использованием гистограммам распределения пикселей по тону.
Тон снимка с увеличением степени смытости становится более светлым, меняется также рисунок и текстура фотоизображения. Локализация участков смытых почв возрастает - от общего площадного осветления при слабом смыве к линейно-площадным ареалам средне- и сильносмытых почв.
В классификации деградации смытых почв используются четыре уровня: бедствие, кризис, риск и норма. Состояние земель оценивается дискретно для каждого контура. Это облегчает обработку полученных данных в среде ГИС: подсчет площади участка, деградированных почв и пр. На снимках анализируются фототон и контур фотоизображения земель, выделяются однородные и неоднородные по тону контуры. Однородные контуры характеризуются средним значением фототона и соответствуют на местности участкам с одним уровнем деградации почвами.
Для выделенных почвенных контуров идентификация варианта, глубины и степени деградации, анализ рисунка и контуров фотоизображения поверхностного слоя почвы производится на основе полевых фотоэталонов.
По отражающим свойствам особо выделяются почвы, содержащие большие количества пигментирующих веществ светлого оттенка. К ним относятся солонцы, солончаки, в т. ч. корковые, а также скальпированные почвы с большим содержанием карбонатов и легко растворимых солей (хлоридов, сульфатов). Исследования аэрокосмических снимков засоленных почв основываются на принципе их приуроченности определенным географическим районам и установленным спектрограммам распределения пикселей в системе RGB.
Основной целью исследований спектральных характеристик изображений в видимом диапазоне является выявление функциональных связей между параметрами изображения и характеристиками объекта. Для этого необходимо определить по аэрокосмическому изображению диапазоны фототона пикселей в системе RGB, отображающих выбранный объект; выявить генетическую принадлежность объекта; проанализировать распределение пикселей по спектральным каналам; установить количественное соотношение пикселей по каналам «цвет», «смешение», «красный», «зеленый» и «синий».
Проведение компьютерного анализа изображения осуществляется по диаграммам распределения пикселей путем вычисления их количества, приходящегося на заданный диапазон тона. Выделение пикселей изображения необходимо для расчета площадей, проведения границ участков и картографирования. На первом этапе проводится анализ изображения и строится гистограмма распределения пикселей в режиме «Цвета».
На втором этапе выявляется среднее значение фототона, позволяющее проводить выравнивание параметров изображений, получаемых из различных источников. Определение диапазона осуществляется методом сопоставления тона пикселей для почвенных объектов с тоном фотоэталонов ландшафта.
Для интегральной оценки состояния почвенного покрова в агроландшафтах по эрозионной деградации применяются следующие критерии: современное эрозионное расчленение, плотность вершин оврагов, степень распаханности склонов и площадь непокрытых лесом склонов (наклон более 8°). По величине этих критериев выделяются пять уровней деградации, приведенных в таблице 1 [3].
Таблица 1
Критерии эрозионной деградации
|
Эрозионное расчленение водосборов |
Плотность вершин оврагов |
Относительная площадь пашни на склонах более 3°, |
Относительная площадь склонов более 8° |
||||
|
км/км2 |
балл |
шт./км2 |
балл |
% |
балл |
% |
балл |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
25-30 |
1 |
15-25 |
1 |
|
0,1-0,5 |
2 |
0,1-1 |
2 |
31-35 |
2 |
26-35 |
2 |
|
0,6-1 |
3 |
1,1-2 |
3 |
36-40 |
3 |
36-45 |
3 |
|
1,1-1,5 |
4 |
2,1-3 |
4 |
41-45 |
4 |
46-55 |
4 |
|
более 1,6 |
5 |
более 3,1 |
5 |
46-52 |
5 |
56-65 |
5 |
Оценка современного эрозионного состояния водосборов заключается в определении сумм баллов, соответствующие условно выделяемым экологическим состояниям «норма», «риск», «кризис», «бедствие» (таблица 2).
Таблица 2
Интегральная оценка эрозионной деградации
|
Уровень |
Сумма баллов |
|
"Норма" |
6 - 8,5 |
|
"Риск" |
8,6 - 11 |
|
"Кризис" |
11,1 - 13,5 |
|
"Бедствие" |
более 13,6 |
Технология геоинформационного компьютерного картографирования включает ввод растровой, векторной и атрибутивной информации, выделение интересующих объектов и расчет площадей, создание ландшафтных карт, вывод результатов.
Космофотокарты деградации почв, необходимы для исследования процессов, протекающих в ландшафтах и решения задач ландшафтного планирования. Расширение числа функций системы производится за счет включения в ее состав специальных средств обработки и дешифрирования данных зондирования, осуществляющих операции от коррекции изображений (оптической, геометрической) до обработки стереопар с выдачей результата в виде актуализированного топографического плана. Наиболее распространенные универсальные средства моделирования – пакеты Талка 3.3, Global Mapper, Surfer и др.
Технология создания цифровых ландшафтных карт деградированных земель опробована на калибровочном ключевом участке, который расположен в средней части Ерзовской гидрографической системы (Волгоградской области) с координатами 48°58' с. ш., 44°35' в. д.
Создание космофотокарты ключевого участка выполняется на основе цифровой модели рельефа ASTER GDEM с шагом 1' и оцифрованной топографической карты М 1:100000, с которыми совмещается космоснимок в виде растрового слоя (рисунок 1). На следующем этапе создается тематическая карта деградации земель. Границы категорий земель и функциональные зоны выделяются на растровых изображениях линиями, а уровни деградации - цветом заливки. В программе "Mapinfo" создается база данных, состоящая из ряда совмещенных тематических слоев, включающих данные о границах выбранных районов, зон и ключевых участков.
В результате преобразований создается новый тематический слой, отражающий топографическое положение деградированных участков почвы и уровни ее деградации После этого на карту наносится необходимая атрибутивная информация.
Рисунок 1. Космофотокарта ключевого участка "Каменный"
Для создания противодеградационных ландшафтных проектов и осуществления картографо-аэрокосмического мониторинга деградирующих почв составляется математико-картографические модели состояния почв в агроландшафтах с прогнозом динамики деградационных процессов в перспективе. На основе сопряженного анализа тематических, топографических карт, материалов дешифрирования аэро- и космофотоснимков М 1:5000–1:25000 и полевых исследований проводится крупномасштабное трехмерное ландшафтно-картографическое моделирование ландшафта (рисунок 2).
Рисунок 2 - Трехмерная модель ландшафта ключевого участка
Составленная модель не только показывает наиболее опасные с точки зрения водной эрозии участки, но и дает возможности рассчитать параметры рельефа, точно установить местоположение ландшафтных объектов. Результатом являются предложения по режимам использования земель в сельскохозяйственном производстве и пути агролесомелиоративного обустройства.
Таким образом, использование предлагаемых геоинформационных технологий позволяет произвести расчет показателей, характеризующих состояние ландшафта, выполнить анализ пространственной изменчивости состояния земель по рассчитанным характеристикам, проанализировать границы зон нормы, риска, кризиса и бедствия и определить тенденции развития экологической ситуации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: