Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение почвенного покрова лесостепной зоны Западной Сибири на основе дистанционного зондирования Земли

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изучение почвенного покрова лесостепной зоны Западной Сибири на основе дистанционного зондирования Земли"

кописи

ШАЯХМЕТОВ Марат Рахимбердыевич

ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ НА ОСНОВЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Специальность 03.02.13 - Почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

28 ОКТ 2015

005564094

Уфа-2015

005564094

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет им. П.А.Столыпина»

Научный руководитель БЕРЕЗИН ЛЕОНИД ВЛАДИМИРОВИЧ, ' доктор сельскохозяйственных наук, профессор

кафедры агрохимии и почвоведения, ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А.Столыпина, г. Омск.

Официальные оппоненты:

ДОБРОТВОРСКАЯ Надежда Ивановна, доктор сельскохозяйственных наук, заведующая лабораторией рационального земледелия, ФГБНУ Сибирский научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства, г. Новосибирск;

ПРУДНИКОВА Елена Юрьевна, кандидат биологических наук, отдел генезиса, географии, классификации и цифровой картографии почв ГНУ "Почвенный институт имени В.В. Докучаева, г. Москва.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Алтайский государственный

аграрный университет, г. Барнаул.

на заседании «Башкирский , Республика

ФГОУ ВПО

официальном «Башкирский

Защита диссертации состоится It ноября 2015 г. в-

диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО государственный аграрный университет» по адресу: 450001 Башкортостан, г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Башкирский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан ЦокТЯСРД 2015 г. и размещен на сайте Минобразования http://vak2.ed.gov.ru/ и ФГОУ ВПО государственный аграрный университет» www.bsau.ru

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с печатью организации и заверенными подписями по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, ученому секретарю диссертационного совета Д 220.003.01

Факс: (347) 228-08-98; E-mail: gayfullin@bk.ru Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук P.P. Гайфуллин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях оценка состояния земельных фондов страны и разработка мероприятий по повышению плодородия земель сельскохозяйственного назначения может быть проведена специалистами региональных агрохимических и мониторинговых центров на основе почвенного дешифрирования космических снимков. Материалы дистанционного зондирования Земли (МДЗЗ) позволяют достаточно четко и оперативно отражать любые изменения в состоянии почвы и посевов полевых - культур, которые могут служить сигналом для дифференциации приемов агротехнологии, а также осуществления мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения.

Поскольку плодородные почвы занимают в пашне России менее 50 % , а в Омской области около 20 %, Программа развития АПК до 2020 г. требует совершенствования системы мелиоративных мероприятий, предупреждения деградации и опустынивания земель. Ее реализация возможна на основе синтеза ландшафтно-экологической и адаптивно-ландшафтной систем земледелия и разработки ландшафтно-мелиоративной системы. Ее ядром должно стать анализ и использование космической информации о состоянии не только каждого самостоятельного землевладения, но и любого поля, полигона земель сельскохозяйственного назначения.

Степень разработанности темы. Большой вклад в становление и развитие теории и практики обработки информации и анализа данных ДЭЗ внесли отечественные и зарубежные учёные: Арманд Н.А., Асмус В.В., Андроников B.JL, Березин A.M., Боярчук К. А В большинстве стран и в Европейской части России в основе почвенного дешифрирования материалов ДЗЗ лежит построение цифровых моделей рельефа для выявления наиболее вероятного почвенного покрова. Методика применима для совершенствования систем земледелия в регионах с развитым мезорельефом и развитой овражно-балочной сетью полей севооборотов. В регионах, где преобладает микрозападинный рельеф, например в лесостепной зоне Западно-Сибирской равнины она не позволяет исследовать C1ILI.

Цель исследований: Изучить на основе материалов ДЗЗ характер отражения - поглощения солнечной радиации почвами и агроценозами лесостепной зоны Западно-сибирской равнины.

Задачи исследований:

- Выявить специфику поглощения солнечной радиации почвами и агроценозами на основе категориально-системного подхода методологического анализа;

- Усовершенствовать методику почвенно-агрохимическому обследованию земель сельскохозяйственного назначения лесостепной зоны Западной Сибири на основе использования мультиспектральных космических снимков (МКС) в целях корректировки почвенных карт;

- Установить наиболее информативные варианты синтезирования диапазонов космической съемки для выявления комплексности почвенного покрова и составления картограмм приемов мелиорации в системе «точного» земледелия.

Научная новизна работы. По результатам исследования доказана целесообразность использования в целях почвенного дешифрирования МКС

высокого разрешения. Усовершенствована методика синтезирования изображений для выявления комплексности почвенного покрова. Впервые установлена возможность почвенного дешифрирования МКС равнинных регионов без предварительного составления цифровой модели рельефа. Определена возможность использования по характеру яркости отраженного сигнала прямого светоотражения с соотношением длинно- и коротковолновой части спектра для составления картограмм.

Теоретическая и практическая значимость работы. Предложенная методика определения поглощения энергии почвами и агроценозами солнечной радиации способствует рациональному использованию земельных фондов и минимизации затрат на повышение плодородия почв, за счет дифференцированного внесения удобрений, мелиорантов и приемов мелиоративной обработки почв.

Совместно с ФГБУ ЦАС «Омский» разработан на основе анализа МКС новый способ почвенно-агрохимического обследования земель лесостепной зоны Западной Сибири. Усовершенствованная методика почвенного дешифрирования на основе данных (ДЗЗ) прошла проверку в ряде крестьянско-фермерских хозяйств Марьяновского района Омской области на площади 17 ООО га.

Методология и методы исследования. В работе обоснованы пути совершенствования методологии адаптивно-ландшафтной системы земледелия на основе категориально-системного подхода с использованием материалов ДЗЗ. Исследования проведены с использованием современных программных комплексов для обработки космических изображений (ENVI, Photoshop) статистического анализа полученных данных (Statistica, Table Curve 3d). В работе использовались снимки космических аппаратов (КА) Landsat 7 и Landsat 8 (США), Alos (Япония), Rapid Eye (Германия). Почвенное обследование проведено согласно общепризнанной методике (Доспехов, 1985, Евдокимова, 1981).

Положения, выносимые на защиту:

- Усовершенствованный способ почвенно-агрохимического обследования пахотных земель лесостепной зоны Западной Сибири с использованием мультиспектральных космических снимков (МКС) высокого разрешения позволяет обосновать принципы ландшафтно-мелиоративной системы использования почв.

- Для выявления оптимального варианта синтеза при определении поглощения почвами и агроценозами солнечной радиации наиболее эффективен метод построения пирамид в системе RGB и создание 3D моделей взаимоотношения показателей яркости отраженной радиации и поглощения длинно-и коротковолновой части спектра.

Вклад автора. Полевые работы, лабораторные исследования, анализ и обобщение полученных экспериментальных результатов выполнены лично автором. Обладатель гранта по программе «Участник молодёжного научно-инновационного конкурса», У.М.Н.И.К. (Омск, 2013).

Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научно-практических конференциях различного уровня:У1 Всероссийская научно-практическая студенческая конференция «Студенческая наука-взгляд в будущее»

(Красноярск, 2011); V Всероссийская конференция (с международным участием) «Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве» (Москва, 2013); II Международный научно-технический форум «Реализация государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» (Омск, 2013); Всероссийский конкурс на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученных высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ по Сибирскому федеральному округу в номинации «Биологические науки» (Улан-Удэ, 2010; Омск, Краснодар, 2013г); Международная научно-практическая конференция, посвященная 125-летию К.П. Горшенина и 100-летию Н.Д. Градобоева (Омск, 2013); работа секции "Инновации" международного лагеря "Байкал 2020" (Иркутск, 2013). Подготовленный на конкурс совместно с руководителем проект на международном форуме «Интеграция геопространства — будущее информационных технологий» (Москва, 2013) был признан как «Лучшее интеграционное решение с применением геопространственных данных; III международная конференция «Инновационные разработки молодых учёных — развитию агропромышленного комплекса» (Ставрополь, 2014); IX международная научно-практическая конференция «Современные концепции научных исследований» (Москва, 2014).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 1 монографии (главы IV, X), 15 научных работах, в том числе четыре работы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, две работы в международных журналах. Получена приоритетная справка по заявке на получение патента на изобретение № 2014112148.

Структура и объем работы. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству. Содержит 12 таблиц, 44 рисунка, 16 приложений, справки о внедрении в производство и учебный процесс. Список литературы включает 162 источника, в том числе 17 иностранных авторов.

1 СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОНИТОРИНГУ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ (обзор литературы)

В главе дан обзор и анализ литературных источников, посвященных изучению материалов дистанционного зондирования Земли, применение их для обновления устаревшего картографического материала и мониторинга состояния окружающей среды.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Объектам исследования являлся почвенный покров ОПХ «Омское» Омского района Омской области находящийся в пределах дренированного Омь-Иртышского междуречья восточной части Прииртышского увала; крестьянско-фермерские хозяйства «Яша» и «Кристина» Марьяновского района Омской

области расположенные в Ишим-Иртышском междуречье на севернее и южнее бывшей реки Камышловка.

Предметом исследований являлись закономерности отражения на космических снимках почвенного покрова пахотных земель лесостепной зоны Западно-Сибирской равнины.

2.1 Методика синтезирование космических снимков В работе использовались МКС космических аппаратов (КА) США Landsat-7 и Landsat 8, Японии - Alos, Германии - Rapid Eye. Компьютерная обработка МКС проводилась с использованием лицензированного программного комплекса ENVI 5.0 на этапе синтезирования было исследовано 25 вариантов соотношения диапазонов съемки в 5 каналах от синего (blue) и зеленого (grin) до красного (red), крайнего красного и инфракрасного.

2.2 Полевое обследование изучаемой территории Полевое картографирование почвенного покрова проводилось на основе космического изображения в соответствии с общепризнанной методикой. Заложено 18 почвенных разрезов, 50 полуям и 200 прикопок. Все прикопки, полуямы и разрезы заложены на контрольных точках с использованием географической привязки аппаратом GPS+Glonas Garmin E-TREX 2.0. 2.3 Методика дендрографического (кластерный) анализа агроландшафтов по цветопередаче изображения На этапе классификация мультиспектральных изображений использовалась функция классификации без обучения К- Means. В пределах исследуемого полигона выделялось 5-7 кластеров. При обработке выделенных кластеров использовался дендрографический анализ агроландшафтов по цветопередаче, который позволяет выделять контура с различной степенью контрастности спектральной яркости в системе RG В.

2.4 Определение показателя Glow На этапе анализа специфичности отражательной способности компонентов почвенного покрова. С применением программного комплекса Adobe Photoshop использована возможность учета яркости прямого отраженного спектра солнечной радиации с расчетом показателя Glow.

2.5 Статистическая обработка данных Статистическая обработка данных производилась в программных комплексах Microsoft Offise Excel и Statistica. При анализе специфичности спектра отражения-поглощения солнечной радиации впервые применен метод построения пирами, а при многофакторном анализе данных Table Curve 3d получена оценка достоверности апроксимации выявленных зависимостей коэффициента спектральной яркости (КСЯ) от поглощения почвами и агроценозами частот солнечного спектра каждого из компонентов почвенного покрова.

3 ПРИРОДНО-ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ 3.1 Географическое положение и рельеф территории По физико-географическому районированию исследованная территория расположена в южной части лесостепной зоны Западно-Сибирской равнины.

3.2 Почвенный покров По областному природно-сельскохозяйственному районированию данная территория, представляет собой равнинный южно-лесостепной район наиболее высокобонитетных обыкновенных черноземов и лугово-черноземных почв, иногда в комплексе с солонцами и солодями. При сопоставлении данных почвенного обследования изучаемой территории 1987г. и полевых исследований на основе дистанционного зондирования было установлено, что ранее выделенный преобладающий чернозем обыкновенный в настоящее время характеризуется как лугово-черноземная почва, которая по классификации почв России 2004 г. Называются агрочернозем гидрометаморфизованный.

3.3 Климатические особенности территории Наиболее характерными особенностями климата являются суровая продолжительная зима и сравнительно короткое, но жаркое лето.

4 МЕТОДОЛОГИЯ ЛАНДШАФТНО-МЕЛИОРАТИВНОЙ СИСТЕМЫ

ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Состояние сельского хозяйства в современных условиях характеризуется необходимостью совершенствования технологии рационального использования всех компонентов почвенного покрова. Это диктует необходимость разработки ландшафтно-мелиоративной системы. Использование ландшафтно-мелиоративной системы осуществляется на основе использования материалов дистанционного зондирования КА. На основе категориально-метологического подхода планирования и проведения научных исследований разработан алгоритм формирования ландшафтно-мелиоративной системы рационального использования почвенного покрова который представлен на рисунке 1.

т

Л М С 3

Рисунок 1 - Схема ландшафтно-мелиоративной системы рационального использования почв на основе адаптивно-ландшафтной и ландшафтно-экологической систем земледелия и базе МДЗЗ

Усл. обознач.: ЛЭСЗ - ландшафтно-экологическая система земледелия; АЛСЗ - адаптивно-ландшафтная система земледелия; ЛМСЗ - ландшафтно-мелиоративная система рационального

использования почв; Экс - экстенсивное хозяйство; Совр - современное хозяйство; Инт -интенсивное хозяйство; ПО - программное обеспечение; ПМ - почвенные материалы; КМ -космические материалы.

На основе синтеза АЛ - и ЛЭСЗ при ведении современного, экстенсивного и интенсивного хозяйств, используя почвенные и космические материалы предлагается ЛМСЗ. Применением данного алгоритма на основе дешифрирования МДЗЗ существенно уменьшается количество погрешностей при их анализе полученных данных.

5 ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 5.1 Цель почвенного дешифрирования

Для внедрения принципов точного земледелия и ландшафтно-мелиоративной системы рационального использования почвенного покрова каждому землепользователю необходимо иметь достаточно точные оперативно обновляющиеся почвенные планы. Поисковыми работами для корректировки методики почвенного дешифрирования было установлено, что практическое значение имеют лишь синтезированные космические снимки, характеризующие многогранность влияния свойств и состояния изучаемых объектов на характер светоотражения. С помощью синтезирования мультиспектральных снимков можно добиться объективной характеристики поглощения солнечной энергии агрофитоценозами и почвенным покровом.

и . ' кг>и 111 рис.1 в посевах пшеницы среди

R20

...........G10

..0,0

к&и

<330 темных пятен березовых колков ( ЗЮ западных полях четко видны светлые пятна солонцов;

Рис. 2. Цветопередача леса ■зеленая), а посевов (бурая). Не видно солонцовых пятен, но четко проявились малогумусовые пятна солоди (аналог подзолов).

На рис. 3 сохраняется пятно солонца (темное) и солоди. Четко различаются посевы полевых культур.

Рис.4 Изменение канала Я20 на 1330 вызвало четкое различие по окраске лесных массивов и малоплодородных почв.

Замена канала в (ср. рис.3 и рис. 5) нивелировало отражение солонцовых почв в посевах пшеницы при сохранении пятна солоди в паровом поле и нежной салатной окраски леса

Рисунок 2 - Варианты синтезирования космического снимка ИСЗ Landsat-7 полей ОПХ «Омское» сочетанием диапазонов видимого (10-30) и ИК спектров (50-70)

При сочетании различных диапазонов синтезирования мультиспектрального снимка в одних случаях весьма четко проявляются по цвету пятна солонцов, в других удается найти границы солонцов и солодей, в третьих — выявить отличия солонцовых ареалов от осолоделых. При иных сочетаниях диапазонов космической съемки, возможно выявление массивов земель различной степени деградации в результате водной эрозии, дефляции.

5.2 Влияние разрешительной способности КА на результаты почвенного

дешифрирования

I I I

вот.кт» СУ.ЫКХГЯ

I I

f ! 1 I

! П !

i

№ Г.' '

и i !

U

)

и

I! V!

„ ' ЛЖЖКККЧООЯЖ.Й^ «

h . Л- ' J

tjua

г-.й MUwSSgfcewtawsui.ii .

Сояодь - 1,2; Солонец -3,4,5,6,7; Лугово-черноземная - 8,9

Рисунок 3 - Сходство светоотражения почв солонцового комплекса природного биоценоза в трех вариантах синтезирования космического снимка Alos

С помощью кластерного анализа дендрографическим методом (рисунок 3) установлено, что светоотражение почвенных разностей глубокого солонца и лугово-черноземной почвы характеризуется высокой степенью сходства на уровне 80-97 при достаточно существенном различии с другими видами почв солонцового типа.

5.3. Особенности исследования мезорельефа Западно-сибирской равнины

Поскольку в равнинных регионах цифровая модель рельефа не позволяет выявить с высоты 300-800 км детали почвенных комплексов, поисковые исследования показали возможность применения программного комплекса ENVI для выявления особенностей гривноложбинных форм мезорельефа по ранее изученным синтезированным МКС методом светотеневой визуализацией рельефа с последущим 3D моделированием. Данная методика позволяет дешифровщику работать без стереопар с использованием одного географически привязанного снимка с пакетом коэффициентов рационального многочлена RPC (rational polynomial coefficients). Инструмент 3D визуализации отображает рельеф местности, позволяя накладывать векторные слои, а также создавать презентационные «ролики-полеты».

К настоящему времени нами выявлено четыре типа проявления специфики мезорельефа равнинных регионов:

1 - пологие склоны к крупным озёрам и займищам;

2 - долинный тип мезорельефа с различным проявлением приречных террас и выраженной поймой крупных рек;

3 - долинный тип мезорельефа с пологими склонами к долине малых рек.

6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО

ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КОМПЛЕКСНОСТИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА

6Л. Применение метода синтезирования мультиспектральных снимков для выявления особенностей агроценозов

Заменяя методику почвенного дешифрирования цифровой модели местности для равнинных регионов предлагается методика синтезирования МКС высокого разрешения, при сочетании трех цветовых каналов в системе RGB в программном комплексе ENVI. В ходе ее производственного испытания на полях КФХ при сопоставлении картографического материала 1986г. С результатами дешифрирования МКС КА Rapid Eye на общей площади 17000 га, было установлено, что ряд территории претерпел некоторые изменения. Большинство полигонов занятых черноземами обыкновенными в настоящее время представляют комплексами лугово-черноземной почвы с участием солонцов мелких и средних.

6.2. Определение показателя Glow

Сложность почвенного дешифрирования спектрозональных космических снимков обусловлена тем, что в большинстве случаев типовая принадлежность почв маскируется различным состоянием растительности, светопоглощение которой имеет строго региональный характер. При анализе гистограмм спектральных целевых наземных фотоснимков и аналогичных космоснимков с использованием Adobe Photoshop по системе RGB одновременно с определением величины КСЯ анализировалась степень отблеска почв и растений - (функция Glow), которая в почвоведении качественно характеризуется понятием «глянец». После проведения почвенного обследования изучаемой территории для выявления характера различия яркости и спектров диапазона светоотражения между почвами черноземно-солонцового комплекса было предложено измерение показателя Glow в программном комплексе Adobe Photoshop, а показатели RGB в программном комплексе ENVI.

Изначально для исследований был выбран полигон поля с характерным комплексным почвенным покровом, количество выделяемых пикселей варьировалось от 300 до 400 ("рисунок 4).

Рисунок 4. - Отражение почвенного картирования парового поля № 3 КФХ «Яша» Марьяновского района Омской области: 148-Чл,; 150-Чл; 151-Чл!0""; 152-Сн2; 154-Сн3; 186-Сн2в варианте синтезирования МКС R1G4B4

На поле преобладают две почвы: лугово-черноземная и солонец. Мы сделали 24 варианта синтезирования по данному полю (R1G4B4, R2G5B2, R2G5B5 R3G1B1, R3G3B5, R3G5B5, R4G1B1, R4G5B1, R5G1B1, R5G2B2, R5G3B2! R5G3B4), 12 вариантов по чистому пару 2011 года и 12- по яровой пшенице 2012 г. в фазу кущения в один календарный период.

Анализ показал, что в стандартном варианте синтезирования видимого диапазона съемки R3G2B1, доля светоотражения между каналами RGB близки по величине, причем меньше всего в видимом диапазоне отражается красная часть спектра. Это свидетельствует о том, что чернозем и солонец в красном канале поглощают 50% солнечной энергии, тогда как большее количество зеленой и синей части спектра отражается, но и при этом различий между почвами не обнаруживается (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнительная таблица по анализу спектров светоотражения на

Почва синтез R3G2B1

красный зеленый синий

чернозем 52 58 63

солонец 54 60 63

Лишь при учете инфракрасного диапазонов спектра (К5) обнаруживаются четкие различия между компонентами черноземно-солонцового комплекса (таблица 2). При этом существенные различия между черноземом и солонцом проявляются в основном в красном канале, а в синем и зеленом каналах таких различий светоотражения не выявилось, как и при анализе снимков в видимом спектре диапазона съемки.

Таблица 2 - Сравнительная таблица по анализу спектров светоотражения на

Почва синтез R5G2B1

красный зеленый синий

чернозем 76 59 58

солонец 66 58 61

Почвы и растения не одинаково поглощают солнечную радиацию. Эти различия проявляются при инфракрасном канале, в сине-зеленых каналах различия минимальные, поэтому отражение этими каналами можно пренебречь и учитывать их среднее значение. Раздельный анализ светоотражения почв и посевов на этих почвах показал, что чернозем в паровом поле отражает независимо от варианта синтезирования МКС лишь 10-20% поступающей солнечной радиации, а солонцовый компонент почвенного комплекса в том же полигоне - 50% и более (рисунок 5).

КСЯ ЭКОСИСТЕМЫ. ПАР

60 50 40 5*30 «20 ЙО

г 4? & Г # # #

Варианты синтезирования

«чернозем

| Ш СОЛОН£Ц~

Рисунок 5 - Коэффициент спектральной яркости парового поля по вариантам синтезирования КФХ «Яша» Марьяновского района Омской области

Таким образом, анализ светоотражения позволяет установить по космическим снимкам различия почв по солонцеватости, содержанию гумуса, степени их деградации.

б.З.Статистический анализ методом построения «пирамид» Для оценки объективности выявляемых различий поглощения солнечной радиации почвами черноземно-солонцового комплекса, а также биоценозами был применен метод анализа «пирамиды». За ее вершину был принят показатель Glow, а основанием пирамиды является потенциал поглощения солнечной радиации (ППР), включающий длинноволновую и коротковолновую усредненную величину сине-зеленой части спектра, выраженный в процентах от максимума

потенциально возможного светоотражения (255 ед.). ......

На рисунке 6 приведены несколько пирамид, отражающих характер ППР на паровых полях и в агроценозах пшеницы, которые показывают, что при данном варианте синтезирования выявляются существенные различия между изучаемыми объектами. __

Arpoywoi пшеницы. Синтез R3G3SS

СЛэа

Рисунок 6 - Оптимальный вариант синтезирования (ЮОЗВ5), инфракрасный диапазон съемки

учитывающий

Рисунок 7 - Неравнобедренная «пирамида», отражающая нарушение оптимального соотношения компонентов синтезирования спектра солнечной радиации агроценоза пшеницы

Варианты синтезирования снимка по схеме R4G2B2 и R5G2B2 (рисунок 7) не выявляют существенные отличия между компонентами черноземно-солонцового комплекса в пределах одного типа агроценоза. При вариантах синтезирования R5G1B1, R5G3B4, R1G4B4 и т.д. отсутствует зависимость поглощения солнечной радиации от типа почвы. В результате использования метода «пирамид» наиболее информативный вариант синтезирования каналов и диапазонов съемки диктуется достижением максимальной разницы между типами почв изучаемого ландшафта. Предлагаемый метод позволяет провести комплексный многофакторный анализ МДЗЗ при использовании новейших программных комплексов для обработки изображений.

6.4 Различия характера взаимосвязи показателей прямой отраженной радиации и поглощение длинноволновой и коротковолновой диапазонов спектра элементами почвенного комплекса На этапе завершения дешифрирования МДЗЗ целесообразно использовать графический способ трехмерного анализа по методу Table Curve 3D.4.0, который не ограничивает исследователя графикой сопоставления экспериментальных данных, а позволяет определить теоретическую аппроксимирующую зависимость между ними. Тем самым метод позволяет уйти от случайных заключений при совпадении результатов.

Анализ линейной связи отржения спектра солнечной радиации агроценозов от показателей яркости направленного отражения и необменного поглощения компонентов длинно- и коротковолновых частот спектра наземными объектами в составе черноземно-солонцового комплекса выражен зависимостью: z=a+bx+cy. По указанной формуле сделаны диаграммы, представленные на рисунке 8.

C'olonetz Sintez R3G2B1 R=0,97 гл2= 0.94 а=-18.2 b=0.47 с=0,83

Chernozem Sintez R3G2B1 R= 0.98 гл2=0,9в a=-15.06 b=0.27 c=0.94

Рисунок 8 - Характер отражательной способности агроценозов пшеницы на черноземно-солонцовых почвах при видимом диапазоне съемки.

Результаты многомерного статистического анализа показали, что на черноземе и солонце коэффициенты взаимосвязи спектра отражения и яркости свечения существенно отличаются в красном канале, (коэффициент корреляции равен 0,97-0,98), а его параметры, характеризующие интенсивность линии определенного цвета, в общем спектре дают достаточно резкие различия, которые на черноземной почве определяются величинами а=-15,06; Ь= 0,27; с=0,94, а

на солонце а= -18,2; Ь=0,47; с=0,83, т.е. коэффициенты а и с почти одинаковы, а коэффициент b почти в 2 раза больше. В различных почвах эти показатели различаются весьма значительно, поскольку свойства почв и возделываемых на них растений не могут в равной степени поглощать энергию солнечной радиации. 6.5. Выявление комплексности почвенного покрова методом кластеризации

объектов

После выявления нами наиболее информативного варианта дешифрирования МКС путем синтезирования снимков в разных диапазонах съемки, который учитывает соотношение каналов длинно-и-коротковолновой части спектра с учетом преобладания инфракрасной (тепловой), части спектра, создаются предпосылки углубленного исследования характера комплексности почвенного покрова. Для решения этой задачи нами выбран метод классификации объектов на кластеры.

Методика определения комплексности почвенного покрова методом кластеризации была апробирована при работах по корректировке устаревающих почвенных карт на ряде полей КФХ «Яша» Марьяновского района. После выбора полигонов исследования по космическому снимку ИСЗ Rapid Eye, имеющему разрешение 5 м в пикселе, было произведено наложение на картографический материал 1986г.

После синтезирования изображения по указанному выше алгоритму полей изучаемого землепользования производилась кластеризация ареалов почв, имеющих относительно равные показатели поглощения солнечной радиации. Участки, наиболее отличающиеся по своему светоотражению были окрашены в ранее заданные цвета кластеров. Тем самым до полевого обследования территории были намечены места закладки разрезов, полуям и прикопок в центрах каждого кластера, используя GPS привязку на местности (рисунок 9).

Рисунок 9 - Пример выходной таблицы данных изучаемых полигонов (почвенная карта, синтезированный космический снимок и вариант кластеризации) с корректировкой устаревшего материала обследования земель 1986г.

На рисунке 9 приведены результаты данного почвенного обследования одного из полей КФХ «Яша» Марьяновского района Омской области. В прилагаемой базе данных на выходной таблице показаны номера почвенных выделов, индекс почв,

мощность гумусового слоя; а главное, автоматически подсчитанная площадь каждого контура и его процент в составе полигона, соответствующего общей площади почвенного комплекса.

7 АНАЛИЗ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЦЕЛЯХ ОБОСНОВАНИЯ ПОКОНТУРНОЙ МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВ

Предложенная методика выявления комплексности почвенного покрова на этапе почвенного дешифрирования космоснимков для составления на основе ГИС технологий пространственно-ориентированных электронных карт полей, может использоваться для внедрения принципов рационального использования почв на равнинных территориях Сибири.

Примером конкретного решения вопроса о плодородии почв и необходимости дифференцированного применения комплексной мелиорации могут служить три поля КФХ «Яша» Марьяновского района Омской области (рисунок 10).

а Ь с

с ти ■

Рисунок 10 - Сопоставление устаревшей почвенной карты КФХ «Яша» (а), космического снимка (Ь) и результатов спектрографической классификации

агроэкологических ареалов (с) в пределах поля кластерным анализом K-Means в программном комплексе ENVI на трех полигонах: А, В, С

Сопоставление состава указанных групп показало, что полигон А характеризуется однородным почвенным фоном, что достаточно полно подтверждается прикопками, а при разногласиях с содержанием почвенной карты - почвенным разрезом в наиболее характерной части полигона. В данном случае преобладающий массив лугово-черноземной почвы окрашен в зелёный цвет, а лесные колки - в голубой. Сложным сочетанием почв характеризуется полигон В. Здесь массив лугово-черноземной почвы (зелёная окраска) почти весь занят пятнами мелкого и среднего солонца (синий цвет). Данный полевой массив нуждается в сплошной химической мелиорации гипсованием в сочетании с периодическим глубоким рыхлением. Весьма сложным оказался состав и состав почвенного покрова полигона С. Он характеризуется наличием нескольких крупных ареалов различных по цвету, а, следовательно, и по плодородию, почв, каждая из которых нуждается в том или ином виде мелиорации.

ВЫВОДЫ

1. Совершенствование методики почвенно-агрохимического обследования земель сельскохозясгвенного назначения наиболее перпеспективно на основе углубленного анализа материалов дистанционного зондирования земли. Использование при этом космических снимков высокого разрешения, до 5 м в пикселе, обеспечивает наиболее эффективный мониторинг состояния почвенного покрова и достоверность повторного картографирования при корректировке устаревших почвенных карт.

2. Предлагаемый способ почвенно-агрохимического обследования предусматривает в первую очередь анализ содержания космических снимков высокого разрешения с выделением проблемных ареалов почвенного покрова землепользования с последующей их идентификацией, при выборочном картографировании.

3. При сравнении данных по засолению и влажности на почвах черноземно-солонцового комплекса, установлено, что во все сезоны вегетационного периода наибольшая степень засоления характерна для наименее увлажнённых участков и, особенно для горизонтов относительной сухости. В составе солей лесостепной зоны Западной Сибири значительная часть принадлежит карбонатам и гидрокарбонатам натрия, создающим щелочную среду в почвенном растворе.

4. В условиях Западно-сибирской равнины доказана целесообразность использования светотеневой визуализации мультиспектральных снимков для выявления особенностей мезорельефа.

5. Установлены наиболее оптимальные варианты синтеза каналов в системе RGB агроценозов для выявления комплексности почв в Западно-сибирской равнине: Nir-Red-Green; Nir-Nir-edge-Red; Nîr-Nir-edge-Green.

6. Метод кластеризации по функции K-means на синтезированном снимке позволяет определить местоположение каждого ареала компонентов почвенного покрова, и автоматизировано определить их долю. Оно позволило установить, что в районах с высокой долей черноземных почв (более 80 %, по данным

почвенного обследования 1986-1990 гг.), фактическое наличие пятен солонцовых почв от 20 до 51 % разного качества.

7. При выявлении различий светопоглощения солнечной радиации почвами и агроценозами способом построения «пирамид» светоотражения установлено, что пшеница на солонце поглощает больше солнечной энергии, чем на чернозёмной почве в период вегетации. Иная картина наблюдается при анализе паровых полей: чернозёмная почва, наиболее богатая гумусом (черный тон) в пару поглощает больше энергии, чем солонцовые почвы (светлый тон).

8. Установлена возможность проведения углубленного анализа поглощения-отражения солнечной радиации по синтезированным космическим снимкам с последующим созданием электронных картограмм для внедрения принципов точного земледелия в равнинных регионах лесостепной зоны.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Выявление комплексности почвенного покрова равнинных территорий лесостепной зоны Западной Сибири наиболее перспективно использование космических снимков высокого разрешения (не более 5м в пикселе) с применением метода кластеризации с учетом яркости светоотражения и соотношения длинно- и коротковолновой части спектра солнечной радиации.

2. Почвенно-агрохимическое обследование земель сельскохозяйственного назначения с использованием МДЗЗ необходимо проводить в три этапа. Первый этап: синтезирование МКС в различных диапазонах съемки и выделение по цветовому тону методом кластеризации типичные ключевые участки, в центре которых проводится на географически привязанных точках диагностика почвенной разности и отбор почвенных проб. Второй этап: Химический анализ каждого из диагностических горизонтов и проведение углубленного анализа поглощения-отражения спектра солнечной радиации. Третий этап: многомерный статистический анализ и составление электронной картограммы компонентов почвенного комплекса.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ:

1. Шаяхметов М.Р. Методологические основы изучения природно-ресурсного потенциала региона / М. Р. Шаяхметов. Л. В. Березин // Омский научный вестник. - 2012. - № 1 (108). - С. 146-149

2. Шаяхметов М.Р. Точное земледелие (Precision Agriculture) - путь к ресурсосбережению / М. Р. Шаяхметов, И. А. Дубровин // Омский научный вестник. - 2013г.-№ 1 (118).-С. 197-200

3. Шаяхметов М.Р. Применение категориально-системной методологии в вопросах дешифрирования космической информации / М.Р. Шаяхметов // Вестник омского университета.- 2012г.-№ 4.- С. 200-202

4. Шаяхметов MP. Изучение особенностей дешифрирования почвенного покрова степной зоны Западной Сибири на основе материалов дистанционного зондирования Земли / М.Р. Шаяхметов, О.Д. Шойкин, Е.Ю. Федяева//Омский научный вестник.-2015г.-№1(138).-С191-194

Монография:

5. Технология комплексной мелиорации экосистем России и Казахстана / JI.B. Березин [и др.]. - Алма-Аты; Омск.: ТОО «Полиграфия Сервис», 2013. - 215 с.

Статьи (доклады) в сборниках научных трудов и материалах конференций:

6. Шаяхметов М.Р. Изучение поглощения солнечной радиации почвами и агроценозами на основе анализа космической информации / М. Р. Шаяхметов, JI.B. Березин // Мат. Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 125-летию К.П. Горшенина и 100-летию Н.Д. Градобоева. - Омск, 2013. - С. 185-190

7. Шаяхметов М.Р. Сезонное перераспределение влаги в почвах и грунтах межблочного пространства ГПЗ Омский / М. Р. Шаяхметов // Современные проблемы агрохимии, почвоведения и экологии Омской области, сборник студенческих работ, Издательство «Вариант - Омск» , 2010г. - С. 101-104

8. Шаяхметов М.Р. Сезонное перераспределение влаги и солей в почвах и грунтах межколочного пространства ГПЗ Омский / М. Р. Шаяхметов // Студент и аграрная наука, материалы седьмого университетского конкурса на лучшую научную работу, Издательство ФГОУ ВПО ОМГАУ, 2011г. - С. 366-369

9. Шаяхметов М.Р. Изучение процессов миграции влаги и солей в почвах и фунтах межколочного пространства ГПЗ Омский / М. Р. Шаяхметов // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы 6 Всерос. Студ. Науч. конф. 4.4 / Краснояр. гос. аграр. ун-т.-Красноярск, 2011. - С. 322-323

10. Шаяхметов М.Р. Проблемы преподавания лесного почвоведения и решения научных проблем в аграрном университете / JI. В. Березин, М. Р. Шаяхметов // Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве: Доклады V Всероссийской конференции, посвященной памяти выдающихся учённых-лесоводов В.И. Сухих и Г.Н. Коровина (Москва, 22-24 апреля 2013г.) - М.: ЦЭПЛ РАН, 2013г.- С. 15-19

11. Шаяхметов М.Р. Использование программного комплекса ENVI для проведения почвенного дешифрирования космических снимков / И. А. Дубровин, М. Р. Шаяхметов // Материалы десятого университетского конкурса на лучшую научно-исследовательскую работу обучающихся. Омск, 2014. - С. 72-75

12. Шаяхметов М.Р. Использование материалов ДЗЗ для оценки потенциально плодородных залежных земель лесостепной зоны Западной Сибири / JI.B. Березин, М. Р. Шаяхметов, И. В. Веретельникова, А. П. Чопозов // Мат. Ш международной конференции «Инновационные разработки молодых учёных -развитию агропромышленного комплекса»:Сборник научных трудов. ГНУ СНИИЖК, Ставрополь, 2014. - том 2. - вып. 7. - С. 464-467

13. Шаяхметов М.Р. Оценка ранее освоенных целинных земель / Л. В. Березин, М. Р. Шаяхметов, А. М. Гиндемит // Мат. IX международной научно-практической конференции «Современные концепции научных исследований»:Сборник научных трудов. Москва, 2014. - № 9. - часть 11. - С. 6-9

14. Шаяхметов М.Р. Изучение взаимосвязи урожайности яровой твердой пшеницы с вегетационным индексом NDVI степной зоны Омской области на основе данных дистанционного зондирования земли / М.Р.Шаяхметов, JI.B. Березин, A.M. Гиндемит, АЛО. Сергеева // Вестник омского государственного университета.-2015г.-№2 (18).-С.34-38

Статьи (доклады) в других изданиях:

15. Шаяхметов М.Р. Применение методов ДЭЗ и ГИС для оценки потенциала поглощения солнечной энергии агроценозов / JI. В. Березин, М. Р. Шаяхметов // Geomatics № 2,2013 г. - С. 87-90

16. Шаяхметов М.Р. Анализ материалов дистанционного зондирования Земли в целях изучения поглощения солнечной радиации почвами и агроценозами / М.Р. Шаяхметов, JI. В. Березин, М. С. Балуков, А. Ю. Сергеева // Почвоведение и агрохимия №4, г. Алматы, 2013г. - С. 88-98

Подписано в печать 07.09.2015. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Гарнитура «Тайме». Печать на ризографе. Печ. л. 1,25. Тираж 70 экз. Заказ 5.

Отпечатано в полиграфическом секторе Института экономики и финансов ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина Омск-8, ул. Физкультурная, 8е.