Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Принципы создания почвенно-географического электронного атласа Ростовской области как многофункциональной справочно-аналитической системы

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Принципы создания почвенно-географического электронного атласа Ростовской области как многофункциональной справочно-аналитической системы"

На правах рукописи

ооьио««

Голозубов Олег Модестович

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОЧВЕННО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО АТЛАСА РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ КАК МНОГОФУНКЦИИОНАЛЬНОЙ СПРАВОЧНО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ

03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 6 МАЙ 2013

Ростов-на-Дону 2013

005058046

Работа выполнена на кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов факультета биологических наук Южного федерального университета

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Крыщенко Владимир Стефанович

Официальные оппоненты:

Рожков Вячеслав Александрович, член-корреспондент РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Почвенный институт им. В.В.Докучаева, главный научный сотрудник

Алябина Ирина Олеговна, кандидат биологических наук, доцент, Институт экологического почвоведения МГУ, старший научный сотрудник

Ведущая организация: ФГБУ Государственный центр агрохимической службы «Ростовский»

Защита диссертации состоится «28» мая 2013 года в 15 час. 30 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, д.1, стр. 12, факультет почвоведения.

Автореферат разослан «_» апреля 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Никифорова Алла Сергеевна

Общая характеристика работы Актуальность темы.

Крупно- и средпемасштабное почвенное картографирование находит евое применение в разных областях, в том числе при решении задач почвепно-экологичсского и сельскохозяйственного мониторинга. Необходимым условием для мониторинговых исследований является наличие «точки отсчета» - данных прошлых почвенных обследований. Для Ростовской области особенно актуальна также история антропогенного воздействия на почвенный покров. Использование современных компьютерных, геоинформациионпых и Интернет-технологий даег новые инструменты для накопления и обработки почвенных данных, а также открывает возможности подключения к анализу других природно-географических факторов (Шоба и др.,2010). Комплексный анализ разновременной, разномасштабной и разнородной природпо-почвенной информации позволяет получать не только более объективную оценку процессов почвообразования, но и численные характеристики почв и почвенного покрова, необходимые для применения в практических целях (Introduction to the European Soil Database..., Environmental Geoehemical Atlas of Central and Eastern England ... и др.). Разработка методов переведения архивных почвенных материалов в цифровой формат, формирование структур атрибутивных данных, обеспечивающих единое картографическое пространство региона, и создание моделей (алгоритмов) использования в исследованиях комплексной почвенпо-географической информации являются основополагающими шагами в создании почвенного атласа регионального уровня. Представляется актуальным скорейшая разработка указанных методов па основе существующих почвенпо-географичееких представлений и современных технологических достижений.

Цель работы: разработка концепции и пракгического алгоритма создания регионального почвенно-географического электронного атласа на примере Ростовской области (РО).

Задачи исследовании:

1. Разработать концепцию, принципы построения и структуру элекгропного почвенного атласа регионального уровня, рассчитанного на широкий круг пользователей и решаемых задач.

2. Охарактеризовать состояпие архивных материалов почвенных обследований и предложить для Ростовской области принципы перевода архивов в цифровую форму.

3. Разработать прииципы формирования единого картографического пространства атласа с использованием методов классификационной генерализации, корреляции почвенных таксономических признаков и гармонизации атрибутивных данных.

4. Осуществить выборочный перевод в цифровую форму и включение в атлас материалов, характеризующих почвенный покров Ростовской области, в том числе архивов разномасштабных разповременных почвенных и других вспомогательных карт, описаний и аналитических данных почвенных разрезов для основных природно-почвенных зон РО.

5. Обосновать и разработать подходы и методы отражения структуры почвенного покрова в электронном атласе. Предложить и апробировать организацию вычислительного процесса, алгоритмов и структур данных в рамках традиционной парадигмы цифровой почвенной картографии.

6. Обосновать необходимость и разработать метод представления границ между почвенпыми контурами на карте в размытом виде, соответствующем постепенности переходов между почвами в природе.

7. Апробировать атлас в качестве инструмента решения мониторинговых, землеустроительных и учебных задач и предложить ряд подходов и алгоритмов решения этих задач.

Научная новизна исследований.

Впервые при крупномасштабном цифровом почвенном картографировании принципы формирования единого картографического пространства применялись в объеме данных района (области).

Обоснована необходимость использования разномасштабных и разновременных почвенпо-картографических материалов в качестве базы сравнения при решении мониторинговых задач.

Впервые разработаны и реализованы структуры данных, методы оцифровки архивных материалов и алгоритмы, обеспечивающие решение широкого спектра задач почвенно-экологического и сельскохозяйственного мониторинга.

Впервые осуществлена реализация электронного почвенного атласа регионального уровня в виде распределенног о комплекса программных продуктов.

Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв и выявлена тенденция к сокращению доли легких (супеси и пески) почв на территории РО.

Практическая значимость работы.

1. Внедрение цифровых методов анализа пространственной информации позволяет достичь значительного увеличения скорости и уменьшения стоимости почвенно-ландшафтпого картографирования.

2. Почвенные карты и структурированная атрибутивная информация, разработанные в целом для Ростовской области по данным 1939 г., для Бело-Калитвенского района и ряда хозяйств основных природно-ночвенных зон области по данным 1980-90 гг., выполняют функцию «точки отсчета» для решения мониторинговых задач.

3. Разработана методика анализа почвенной пестроты земельных участков на примере ОАО «Дружба», выявления полей внутрихозяйственного землеустройства, содержащих неоднородные участки и. соответственно, требующих раздельной кадастровой оценки.

4. Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв, используя возможности электронного атласа. Выявлена тенденция к сокращению доли легких (супсси и пески) почв на территории Ростовской области.

5. Результаты работ внедрены в рамках научных, научно-практических и образовательных работ. Создан и регулярно пополняется электронный атлас почв РО, что расширяет познавательные возможности почвенно-ландшафтных исследований разномасштабной неоднородности почвенного покрова и его отдельных свойств. Применение методов для анализа и мониторинга зон загрязнения, обусловленных атмосферными выбросами Новочеркасской ГРЭС, позволило сформулировать перечень требований к точности и объему исходных данных и алгоритмов их преобразования. Включение в атлас данных экологического мониторинга видов растений и животных, занесенных в Красную Книгу Ростовской области, позволяет осуществлять исследования в смежных областях науки.

6. Разработаны спецкурсы «Базы атрибутивных данных почвенных свойств и процессов» и «ГНС: крупномасштабное почвенное картографирование», которые преподаются магистрам по направлению подготовки «021900 Почвоведение Магистерская программа М02190004-12-1-2 География и картография почв». Выполняемые в рамках магистерской подготовки проекты пополняют базу данных (БД) «8оПМа1пх» и атлас почв РО.

Защищаемые положения

1. Разномасштабные и разновременные почвенные карты могут быть синтезированы в единое картографическое пространство регионального почвснно-географического атласа путём картографической генерализации, классификационной корреляции и гармонизации атрибутивных данных.

2. Основой легенды для электронного почвенно-географичсского атласа является структура связанных таблиц по каждому таксономическому признаку отдельно, и принцип представления комбинаций почв (комплексов и сочетаний) в виде весовых коэффициентов отдельных таксономических признаков, что позволяет трансформировать качественные

данные традиционных почвенных карт в полуколичественные и количественные данные и получать числовые оценки почвенных свойств.

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на Всероссийской (9-й) 2007 г., и Международной (10-й) 2010 г. суперкомпыотерпой конференциях «Научный сервис в сети Интернет», на 6 Всероссийском съезде Общества почвоведов им. B.Q. Докучаева (доклады на симпозиуме по информационным ресурсам в почвоведении и секции но картографии почв). Сделан доклад по теме работы на постоянно действующем семинаре по ЦПК и педометрике в ГПУ Почвенный институт им. В.В.Докучаева Россельхозакадемии и на заседании кафедры Географии почв Факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Личным вклад автора заключается в непосредственном участии в полевых исследованиях, в отборе и анализе проб, разработке структур данных и программного обеспечения, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, оцифровке и картировании 30 % объема атласа почв РО, разработке методов представления атрибутивной информации и алгоритмов пространственного анализа, участии в составлении корреляции почвенных классификаций.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 работ, включая 7 статей в журналах из списка ВАК; получено 3 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ, разработано и размещено в Интернет 4 'электронных интерактивных учебных пособия.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за неоценимую помощь в работе над диссертацией научному руководителю - д.б.н., заведующему кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета B.C. Крыщепко, и д.б.н., профессору О.С.Безугловой.

Автор благодарит за помощь в проведении исследований, консультации по методам директора ФГУ ГЦАС «Ростовский», д.б.н., проф., О.Г. Назаренко, директора ООО «Южгипрозем» Е.М. Цвылева.

Автор благодарит сотрудников ГИВЦ Минсель.хоза РФ и сотрудников центров агрохимической службы Ростовской области за предоставленные архивные материалы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, приложений, изложена на 150 страницах машинописного текста. Содержит 17 таблиц, 86 рисунков и фотографий. Список литературы включает 160 наименований, в том числе 50 иностранных источников. Приложение содержит диск с первой версией элект ронного атласа. СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цели, задачи, научная новизна, практическая значимость работы и основные результаты исследований, выносимые па защиту.

ГЛАВА 1. Классические и современные почвснно-гсографнческис атласы: Обзор литературы

В данной главе представлен обзор публикаций, посвященных вопросам принципов построения и структуры электронных атласов регионального уровня, рассчитанных на широкий круг пользователей и решаемых задач.

В современном понимании (Берлянт, 1970; Сваткова, 2002; Комплексные региональные атласы, 1976) «атлас — это ... система взаимосвязанных и взаимодополняющих друг друга карт». Как и любая система, атлас должен иметь структуру и системообразующие, согласующие эту структуру характеристики: картографируемое пространство, назначение (круг основных потребителей и технические условия использования) и содержание (круг вопросов и глубина освещения комплекса явлений).

Региональные почвенные атласы (уровень района-субъекта федерации) содержат карты крупного и среднего масштаба включают в себя кроме собственно почвенных карт

аналитические и синтетические карты (районирования, агрохимические, карты засолений и т.п.). В почвенном картографировании крупного и среднего масштабов па почвенных картах кроме почвенных выделов (контуров) отображаются также и точки взятия почвенных проб (разрезы и т.п.), а сама карта сопровождается объяснительной запиской (очерком) с детальным описанием составам свойств почв (Гаврилюк, 1981; Общесоюзная инструкция..., 1973).

В крупномасштабном почвенном картографировании многочисленными инструкциями и методиками выработаны основные принципы поддержания современности (актуальности) почвенных карт. Почвенные карты, утратившие актуальность могут быть востребованы при изучении динамики природных и социально-экономических явлений.

Рассмотрены методические и методологические аспекты комплектации почвенных атласов, определен приоритет географического правдоподобия по отношению к геометрической точности карт (Строганова, 2011; Герасимова, 2010 и др.).

В соответствии с «ГОСТ 28441-99 Картография цифровая. Термины и определения» электронный атлас - это «система электронных карт, созданных но единой программе как целостное произведение с единой библиотекой условных знаков». Одной из основных системообразующих характеристик атласа является использование сопоставимых классификаций и разработка па их основе единообразно построенных легенд.

Для цифровых атласов определяется перечень новых возможностей в почвенном картографировании, обусловленных успехами в развитии геоинформационных систем (Герасимова, 2010; Рухович, 2012).

В терминах ГОСТ современный электронный атлас представляет собой сочетание собственно электронного атласа с гсоинформационпой системой, банком цифровых картографических данных (в некоторых случаях распределенный), а также с новым элементом - с механизмами и комплектами моделей, увязывающих географическую информацию с атрибутивными базами данных, и использующими экспортные знания в интерактивном режиме.

В современной литературе анализируются сходства и различия между традиционным подходом к почвенному картографированию и новым научным направлением «цифровая почвенная картография» (МсВгаЦ1еу сЛ а!., 2003). Рассматриваются проблемы выделения элементарных почвенных ареалов (ЭПА) (Козлов...2009; Сорокина...2003). Анализ тенденций традиционного и цифрового почвенного картографирования показывает их конвергенцию, делается вывод о том. что почва как структурированный континуум природы должна исследоваться как количественными, так и классификационными методами, с помощью двух подходов и их сочетаний (МсВгаШеу, 2011; Ибаньес и Салдаиья,2007).

Формулируется последовательность этапов работ при крупномасштабном почвенном картографировании, состоящая из оцифровки почвенных карт, коррекции по данным дистанционного зондирования (ДДЗ), получения «факторных» карт, выделения микроструктур почвенного покрова (ПП). создания моделей и оценки погрешности относительно дополнительных данных полевых обследований или ДДЗ, уточнения модели и/или факторных карт и карт микроструктур ПП.

Рассматривается вопрос комплектации почвенных атласов, подчеркивается важность топографической основы и базы атрибутивных данных как неотъемлемой части электронных атласов. Анализируется международный опыт и необходимость включения в атласы оцифрованных архивных почвенных карт (в векторном или растровом виде) (Савин, 2012), а также цифровых моделей рельефа (ЦМР).

Особое внимание уделяется анализу методов классификационной и контурной генерализации как средства обеспечения единого картографического пространства атласа (Герасимова. 2010). Выбор итоговой классификации во многом определяется также целевым назначением атласа. Так для регионального атласа агро-экологической направленности целесообразно использование классификаций, принятых в департаментах сельского

хозяйства и природоохранных комитетах регионов. Для Ростовской области - это классификация 1977 года (Отчет...,2006).

В результате анализа немногочисленных отечественных и основных зарубежных (США, Канада Австралия, Великобритания) электронных почвенных атласов делается вывод, что электронный почвенный атлас - это «мост» между накопленными пространственными почвенными данными и оцифрованными традиционными почвенными картами, между дополнительными картами природных явлений, антропогенными изменениями и административно-территориальными и/или хозяйственными границами, а также между историческими и современными картами в динамике изменения топологических и количественных показателей. Приводится список общих свойств электронных почвенных атласов (11 пунктов), дополняющих перечень традиционных системообразующих характеристик, обеспечивающих согласование структуры атласа. ГЛАВА 2,Обьскты и материалы исследований.

Объектом исследования является почвенный покров Ростовской области в его современном состоянии и историческом (70 лет) аспекте формирования. Степень исследованности этого региона высока, работы ведутся давно, начиная с 1930х годов. Первым большим региональным исследованием стала 4-томпая монография о почвах Ростовской области профессора С.А. Захарова - (1940 г). В 1960-90 годах было проведено несколько туров крупномасштабных агрохимических обследований и почвенного картографирования. Большой объем разрозненных разновременных данных этих обследований (более 130 почвенных карт и очерков), предназначенных для включения в атлас, позволяет считать эти материалы также и объектом исследований. Основными материалами исследований являются:

• почвенная карта Ростовской области М 1:500000 под редакцией проф. Захарова, 1939 г.

• карта почвообразующих пород (четвертичных отложений) Ростовской области, 1975 г.

• почвенная карта Ростовской области М 1:300000 Южгипрозсм, под ред. Цвылева Е.М., 1986 г.

• материалы почвенных обследований Гипрозема (почвенные карты и очерки) - М 1:10000, 1:25000-отдельные хозяйства, и М 1:100 000 - районы;

• цифровая модель высот (ЦМВ) DEM SR I M с шагом 3";

• топографические карты Генштаба масштаба 1:100000;

• векторная карта границ кадастровых участков Росреестра;

• база данных состава и свойств почв ЮФО SoilMatrix;

• ГИС-карта Ростовской области (слои: почва, растительность, гидрология);

• географически привязанные снимки земной поверхности GoogleEarth, САСГИС;

• спутниковые снимки Landsat, IRS и других систем;

• данные о фактической погоде наземных метеорологических станций через систему свободного международного обмена метео-дапными.

• результаты почвенных обследований (экспедиции) земель Белокалитвенского района Ростовской области;

• данные многолетнего мониторинга загрязнения почв зоны Новочеркасской ГРЭС;

При анализе картографических источников важную роль играет географическое районирование территории Ростовской области. Разнообразие природных условий региона обусловило разные подходы к выделению природно-ночвениых районов. IIa Рис. 1 и 2 представлены карты почвенно-географического районирования и геоморфологического районирования РО (Безуглова и др., 2008). Известны также более детальные карты почвенно-географического районирования с учетом топографии почв (Крьпцепко и др.,2008) . Точками на Рис.1 показаны обеспеченные крупномасштабными почвенными картами хозяйства. Отметим, что для каждой из почвенных зон и фаций имеется хоть одна почвенная крупномасштабная карта. Не обеспечен крупномасштабными каргами (Рис.2) только район «Доно-Егорлыкская аккумулятивная равнина».

Ввиду большого объема архивных материалов для детального анализа в оцифровке и

генерализации легенд использовалось 26 хозяйств (из более чем 800). по нескольку для каждой из природных зон РО.

Рис. I. Карта-схема почвенно-географического районирования Ростовской области.

Рис. 2. Карга-схема геоморфологического районировании Ростовской области.

В настоящей работе рассматривается достаточно короткий временной период - с конца 30-х годов прошлого века. Это период характерен существенными и масштабными антропогенными изменениями, которые повлекли за собой интенсивные процессы почвообразования. Перечисляются основные мероприятия, повлиявшие на состояние ПП РО: образование Цимлянского водохранилища, строительство системы Донского маг истрального и распределительных каналов, выполнение плана полезащитных лесонасаждений, освоение целинных и залежных земель. Все эти мероприятия выполнялись в 1940-1960 годах, и почвенная карта Ростовской области М 1:500 000 под редакцией проф. С.А. Захарова в 1939 году ценна тем. что предшествует масштабным изменениям территории, и. таким образом, может служить отправной точкой для мониторинга почв РО. Легенда карты насчитывает 56 наименований (условных обозначений), на ней выделено 1225 почвенных контуров.

Карта почвообразующих пород Ростовской области М 1:500 000 под редакцией Г.Г. Клименко составлена в 1977 году в институте Южгипрозем по материалам крупномасштабных почвенных обследований 1958-1977 годов с использованием карт четвертичных отложений М 1:500 000 Волгодонского геологического территориального управления (1944 год) и геоморфологической карты Волго-Донских равнин под редакцией профессора Д.Г. Панова (1963 год). Использовалась та же топографическая основа и топология почвообразующих пород, что и в карте С.А.Захарова что позволяет без особых

Аккумулятивно-денудационная равнина Доно-Свльского водораздела Донецкий кряж

Доно-Донецкая эрозионная равнина Доно-Егорлыкская аккумулятивная равнина Свверо-Приаэовская эроэионно-аккумулятивнзя равнина аллювиалыно-аккумулятивная равнина Нижнею Дона денудационно-эроэионная равнина Сало-Манычокого водораздела озерно-аллювиальная и морская аккумулятивная равнины долины Манычей

осложнений произвести ее географическую привязку. Легенда карты содержит 19 обозначений (12 основных) почвенных контуров и фактически является картой четвертичных отложений.

Почвенная карга Ростовской области под редакцией Е.М. Цвылева масштаба 1:300 ООО выпущена в 1975 году институтом Южгипрозем (переиздана в 1986 году). Эта карга была привязана к географическим координатам, оцифрована и векторизована в лаборатории почвенной информатики Почвенного института им. В.В.Докучаева Роееельхозакадемии, а также использовалась в проектах, разрабатывавшихся в ВЦ Мипсельхоза РФ, где РО рассматривалась в качестве модельного региона, применяется в департаментах сельского хозяйства и охраны природы администрации Ростовской области. Легенда карты содержи! 76 наименований почв (тип, подтип, род), и дополнительно такие классификационные признаки, как гранулометрический состав (совместно с почвообразующими породами), комплексность, орошаемость, щебнистость, содержание гумуса, мощность гумусового горизонта и другие. Дополнительные классификаторы карты практически не заполнены. На карте выделено 2300 почвенных контуров.

В 70-80 годах прошлого века были выпущены почвенные карты районов РО. Карты составлялись в основном по материалам крупномасштабных почвенных карт хозяйств. Легенды этих карт содержат помимо наименований почв (тип, подтип, род, вид) условные обозначения гранулометрического состава, почвообразующих пород и условий залегания по рельефу. Отдельными значками для некоторых районов обозначены смытость, щебнистость, комплексность с солонцами и солончаками. Карты содержат границы хозяйств и точки почвенных разрезов с анализами.

Крупномасштабные карты почвенных обследований составляют основу разрабатываемого электронного атласа почв Ростовской области. В работе помещена сводная таблица, которая содержит данные по наименованию хозяйства, году почвенного обследования, масштабу карты, году производства топографической основы, количеству страниц и году выпуска почвенного очерка, площади хозяйства, количеству наименований почв в легенде и количеству выделенных почвенных контуров на карте (для векторизованных карг). Также помещена «Схема землепользования Ростовской области», содержащая более 800 хозяйств. Отсутствие статистических закономерностей между площадью хозяйства, количеством пунктов в легенде, и количеством почвенных контуров позволяет сделать вывод о наличии фактора субъективности при проведении обследований и представлении их результатов.

Включение большого количества крупномасштабных почвенных карт в электронный атлас предполагает выполнение согласования легенд и формирования единой почвенной классификации. Этот процесс основан на материалах отчета по созданию «Перечня почв и почвенных комплексов Ростовской области». Работа выполнена в 2006 году ООО «Южгипрозем». На основании анализа легенд крупномасштабных почвенных карт масштабов 1:10 000 и 1:25 000 четвертого тура обследований в трех томах перечислено 1196 уникальных чистых почвенных разновидностей и 1450 уникальных почвенных сочетаний и комплексов, произведена унификация названий в соответствии с Классификацией и диагностикой почв СССР 1977 года. Перечень содержит также информацию о гранулометрическом составе почв, который определяется согласно действующей диагностике по содержанию в верхнем горизонте частиц размером менее 0.01 мм (физической глины). Для чистых почвенных разновидностей указывались также почвообразующке породы, и родовые признаки, как то мощность, гумуспость и другие.

Средний размер хозяйства РО составляет примерно 10 тыс. га. Географическая привязка и векторизация почвенных карт существенно облегчаются при ознакомлении с содержимым технических отчетов по почвепному обследованию (очерков). В приложении к почвенному очерку обычно содержится экспликация почв — расширенная легенда почвенной карты, ведомость результатов химического анализа по генетическим горизонтам для обозначенных

на карте разрезов (включая % гумуса), и ведомость результатов анализа гранулометрического состава (включая гигроскопическую влажность) по генетическим горизонтам разрезов. Если разрезы выполнялись с перерывом в несколько лет, то для каждого разреза на почвенной карте и в очерке указывается год выполнения разреза.

Также автором были проведены самостоятельные почвенные обследования в 2011 году для изучения динамики гранулометрического состава почв Белокалитвснского района, для чего был проведен повторный отбор проб в местах расположения географически привязанных разрезов.

В работе приведено сравнение и анализ погрешностей четырех ЦМР: двух топографических и двух радарных, для различных участков местности (водосборные бассейны, овражно-балочная сеть, тальвеги и др.) и различных задач (определение крутых склонов, экспозиций и др.). В качестве топографической основы для исследования в данной работе выбрана ЦМР Ростовской области, полученная из 3" ЯК ГМ версии 4.1 (,1аг\^, 2008) следующим образом. Территория РО покрывается тремя блоками НИТМ. Эти блоки были автором сшиты в матрицу 10x10 градусов и обрезаны по контуру РО (векторная карта границ РО получена в администрации РО). В южной части заметна белая зигзагообразная полоса в меридианном направлении - дефект радарной съемки, в версии 4.1 датгые для этого места отсутствуют. ЦМР выполнена в географической системе координат (¡С8_\У08_1984, и представляет собой матрицу из 7776 столбцов и 5188 строк. Ячейки содержат значение высоты в метрах. Пустые ячейки (вне границ области) представлены значением -9999.

Перечисленные объекты и материалы составляют основу комплектации почвенного атласа. Сюда также принято включать такие карты, как геокриологическая карта, почвепио-эрозионпая карта, карта засоления почв (распространение и генезис солонцов и солонцеватых почв), карта лесов и растительности и другие с долгим сроком актуальности. Карты с малым сроком актуальности автор не считает целесообразным помещать непосредственно в атлас по той причине, что, как правило, эти карты доступны в актуальном виде в Интернет, содержат слишком большой объем данных, и допускают оперативное включение в экземпляр атласа для конечного пользователя.

В работе используются материалы Росреестра (кадастровые данные по землям сельхозназначения с указанием площади, координат, видов угодий и пр.), данные Европейской системы обмена метеоинформацией, спутниковые снимки инженерно-технологического центра «СКАНЭКС», полученные из Интернета с актуальностью на момент запроса.

ГЛАВА 3. Разработка п реализация принципов формирования единого картографического пространства атласа.

Методы исследования, с точки зрения поставленной задачи, направлены на создание комплекта разномасштабных и разновременных цифровых почвенных карт Ростовской области на основе архивных источников, представленного в едином картографическом пространстве. Цифровой атлас с информационной точки зрения - это, прежде всего, база данных (БД) сложной структуры, отражающей наш взгляд на структуру ПП данной территории. Задачей первого этапа является разработка структуры БД для размещения в ней оцифрованных архивных данных без потери значимой информации. Согласование легенд и атрибутивной информации карт атласа решаются методами таксономической корреляции, классификационной генерализации и «гармонизации» с применением методов почвенной информатики и оценки информативности почвенных признаков. 3.1. Псрархичсскн-рсляцнонная структура базы данных состава и свойств почв.

Прежде чем говорить о структуре БД атласа следует предварительно дать оценку объема данных. Среднее хозяйство содержит около 200 почвенных контуров и до 100 почвенных разрезов, каждый из которых представлен 3-4 образцами по генетическим горизонтам. Каждый из контуров помимо географических координат содержит до 20 полей атрибутивной информации. Каждый образец - до 100. Итого, для 800 хозяйств РО

получается несколько сот тысяч контуров и образцов, содержащих миллионы единиц атрибутивной информации. Для идентификации элементарных информационных единиц и доступа к ним данные должны быть иерархически организованы (Осокин, 2009; 1'еисгЬегс11, 2007: Плотницкий. 2007; Михайлов. 2007). Иерархичность структуры нужна для интерпретируемости результатов мониторинга и получения интегральных показателей.

Для крупно- и среднемасштабного почвенного картографирования основная задача состоит в определении элементарных площадных соподчиненных объектов - ЭПА и ЭПС на основании геометрии полей действия основных факторов почвообразования (Козлов. Сорокина, 2012). Для мониторинговых крупномасштабных карт важны административно-хозяйственные границы, хозяйственная деятельность па территории и другие показатели, характеризующие характер и пространственное распределение антропогенного воздействия на почвенный покров. Единицами хранения в обоих случаях выступают почвенный выдел (контур), почвенный профиль, горизонт, образец. Таким образом, имеем двойную структуру соподчинения (Крыщенко и др., 2010) - рис. 3. В теории БД такое соподчинение называется реляцией (отношением) «один к многим».

Реляционная структура Район данных

с

Федеральный округ, субъект РФ

Почвенная Зона.провинция

С

3

С

Хозяйство

Подтип

г

Поле севооборота

Род,Вид,ГМС,...

г-:— -

г-* Элементарный почвенно-земельный УЧАСТОК

с

Почвенный профиль

Индивидуальный почвенный образец

Рис. 3. Иерархии структуры данных но организационно-хозяйственным (слева) и ночвснно-генетическим показателям (справа).

Для объектов «разрез» и «образец» данные гю почвенному профилю в целом наследуются из объектов «контур» и «участок». Данные по каждому из обследуемых горизонтов входят в состав данных образца почвы. Отметим, что для неиспользуемых земель, охраняемых природных зон и т.п. почвенный образец не привязан к земельному участку и одна из реляционных связей может отсутствовать.

Элементарный земельный участок объединяет в себе территорию, однородную по почвенно-генетическим и организационно-хозяйственным характеристикам. На рис. 4 показан механизм его определения как пересечения границ земельного участка и почвенного

ннн

4 ННМш

\_и

1 н :,

3 1 ! е

ЩР» 7

а

Рис. 4. Определение элементарного земельно-почвенного участка как пересечения почвенного контура и земельного участка.

контура. В результате наложения контурной почвенной карты (ГМС - гранулометрический состав, в данном случае - глина, суглинки, супеси) на кадастровую кадастровую (внутрихозяйственного устройства) карту, участок 3 разбивается по признаку ГМС на 3 участка (За, 36. Зв). которые являются объектами мониторинга и кадастровой оценки (по ГМС) в соответствии с методикой МЭР РФ (2010).

Атрибутивные данные также имеют иерархическую структуру. В работах (Почвенно-гсографичсская.... 2010; Крыщенко и др., 2010) подробно описана структура полей атрибутивной информации почвенного образца. Множество данных разбивается по тематическим группам химических, физических, морфомстрических и т.п. свойств, хозяйственного использования, параметров загрязнения, классификационпых признаков. Каждая из этих групп также включает в себя иерархические структуры.

Задача структурирования классификации сама по себе является достаточно сложной с точки зрения оценки информативности классификационных признаков (Рожков, 2009). В соответствии с классификацией почв 1977 года насчитывается более ста типов почв и около двухсот подтипов. Среди десятков тысяч возможных попарных сочетаний значимыми и допустимыми являются только несколько сотен таких пар. И в этом смысле классификация представляет собой метод исследования.

3.2. Корреляция мо'шспно-гсметических классификаций и формирование легенд почвенных карт

Сведение разномасштабных и разновременных почвенных карт в один электронный атлас требует согласования их легенд. Для этого применяются различные методы: генерализация, гармонизация. корреляция (Бсзуглова и др..2008; Белоусова Мешалкина, 2012: Герасимова. 2010). Однако, работая с большим объемом фактического материала нельзя пропускать такой предварительный шаг. как проверка и исправление разного рода неточностей и ошибок (Литвинов, 2012).

Классификационная генерализация обычно применяется для согласования карт различных масштабов и предполагает перевод почв на более высокий таксономический уровень. Корреляция названий почв связана в первую очередь с историческими аспектами проблемы номенклатуры и классификации почв даппого региона. Кроме этого, применяются корреляции между полными и сокращенными (принятыми в практике работы) наименованиями. Гармонизация рассматривается как постоянный процесс, объединяющий в себе две вышеуказанные методики. Гармонизация данных предполагает детальное исследование разнородных данных объекта (почвенные контуры, геоморфология, данные химических анализов и др.). Особенностью метода гармонизации является этап проверки данных, направленный на удаление (замена на значение «не определено») неточных или неверных показателей.

В приложении 2 описана подготовка атрибутивных данных - пример гармонизации таксономических признаков: Проверка ошибок и устранение неточностей в крупномасштабных почвенных картах хозяйств Ростовской области.

При согласовании почвенных карт в разрабатываемом атласе использовались все три метода (генерализация, корреляция и гармонизация).. При разработке таблиц корреляции наименований почв автор в осповном использовал материалы и таблицы соответствий названий почв Ростовской области, разработанные профессором О.С. Безугловой, а также консультации руководителей ООО «Южгипрозем» Е.М. Цвылева и Агрохимцентра «Ростовский» профессора О.Г. Назаренко. Согласование данных гранулометрического состава и почвообразующих пород выполнено на основе материалов и консультаций профессора B.C. Крыщенко.

Реализация атласа в электронном виде позволила сохранить как исходные, так и согласованные легенды почвенных карт, а также включить в пего таблицы преобразований. В приложении 1 приведено детальное описание реконструкции почвенной карты Ростовской области М 1:500 000. выпушенной в 1939 г. под редакцией проф. С.А. Захарова.

На примере векторизованной почвенной карты РО 1975 года М 1:300 ООО анализируются недостатки традиционного подхода, при котором в легенду помещается полное наименование почвы, наименование комплекса или сочетания почв. И если при размере легенды в 76 пунктов анализ карты затруднителен, то при легенде в 2646 наименований (перечень почв РО) он вообще будет невозможен. Кроме этого, комплексы и сочетания почв визуально никак не дифференцируются.

В настоящей работе предлагается подход к формированию легенды в виде набора таблиц по каждому таксономическому признаку отдельно. Кроме этого, комплексы и сочетания почв предлагается представлять в виде нескольких слоев (до 3-х) контуров однородных почв из перечня с указанием процента содержания почвы в комплексе (весового коэффициента). Такой подход отличается от традиционного и реализуем только в электронном виде за счет регулируемой прозрачности при наложении слоев. Также предлагаемый подход позволяет получать объективные карты территории по одному или нескольким таксономическим признакам (факторные карты), чего сделать невозможно при традиционном подходе. Выделение ЭГ1Л при таком представлении сводится к наложению факторных карт и нахождению пересечений.одцородных по всем факторам областей (рис. 5).

Пересечение почвенных картограмм: 1,2,3- почвенный признак, ГМС Количество признаков = 3

A.B,C,D - почвенный признак , почвообразующие породы

Количество признаков = 4 а ,р-почвенный признак 3, тип-подтип Количество признаков = 2.

Нижний спой- результат пересечения Общее количество комбинаций признаков=14

Рис. 5. Иллюстрация сложности выделения ЭПА по нескольким почвенным признакам одновременно

Иллюстрация механизма представления комплексов приведена на рис. 6. Если па местности имеются участки малой площади, содержащие почвы отличные от основной почвы выдела по одному или нескольким факторам, то в традиционной почвенной картографии весь контур описывается как «почвы название 1 в комплексе п% с почвами название 2». В цифровой картографии для контура с комплексом почв формируется структура данных из двух контуров, совпадающих по площади и расположению, и весовым коэффициентом равным процентному содержанию первой и второй почвы.

ПК 1-го типа

ПК ЭПК % площади

1 11 70

1 10 30

2

3 14 65

3 13 35

4 10 100

Ландшафтное расположение ПК Представление на карте Структура данных

Рис.б. Схема представления данных при ............комплексов. Почвенные контуры 1,3

содержат комплексы. 1Í итоге карга из 4 типов контуров представлена шестью контурами с наложением и весовыми коэффициентами. 'Это схема представления почвенного контура с комплексами в виде слоев с весом. В случае если значения некоторых атрибутов в комплексе совпадают, веса складываются.

На основании итогового отчета ООО «Южгипрозем» и анализа легенд карт и очерков почвенных обследований разработана иерархическая структура классификаторов (рис. 7). В итоге каждый почвенный контур в случае чистой почвенной разновидности описывается набором из 14 классификационных показателей, а в случае комплекса из 3-х почв - тремя контурами с указанием веса каждого контура (процента содержания каждой почвы в комплексе).

Рис.7. Структура классификаторов для легенды крупномасштабной карты почв РО.

З.З.Методика формирования атрибутивной информации для точечных (разрез, проба, наблюдение) данных

В крупномасштабном почвенном картографировании точечные данные имеют ряд особенностей:

XV В отличие от детального картографирования здесь ие используется регулярная сетка или другая регулярная схема почвенных опробований (Крыщенко и др. 2013). Разрез обычно принимается типичным для почвенного выдела и его показатели неявно распространяются па всю его площадь. Кроме этого, в детальном картографировании массовый отбор проб осуществляется из пахотного слоя (до 30 см), тогда как в крупномасштабном картографировании кроме прикопок и полуям применяются разрезы полного (до 2 м или достижения почвообразуюших и подстилающих пород) профиля. XV Диапазон масштабов 1:10 ООО - 1:50 ООО применяется в агроэкологическом мониторинге и эколого-токеикологических обследованиях, инвентаризации почвенных ресурсов и агроэкологической оптимизации земледелия, для решения спектра научно-практических задач в сфере почвоведения и смежных дисциплин (Козлов и др..2012: Методические.... 2003; Савин. 2000). Перечень параметров, фиксируемых для точечного объекта, может достигать сотен наименований и десятков тематических групп, что не характерно для мелкомасштабного почвенного картографирования. у/ Для регистрации точечных данных важна не только локализация в пространстве, но и во

времени, вплоть до дня. и особенности местоположения или обстоятельств. Перечисленные особенности в рамках традиционных почвенных атласов не встречаются, в том числе и по техническим причинам ограничений печатного издания. Для разрабатываемого нами электронного атласа в рамках комплексного подхода и с учетом его пополняемое™ включение разнородных данных такого объема не только возможно, но и обещает быть плодотворным сточки зрения междисциплинарных исследований.

В работе описаны принципы организации и структурирования информации. Автором разработаны программа ввода данных почвенных обследований с контролем в формате Adobe PDF. содержащая семь тематических групп (морфология, химические показатели, экологические показатели и т.п.), программа ввода данных биологических наблюдений (Красная книга Ростовской области), и выполнены преобразования данных метеорологических наблюдений.

ГЛАВА 4. Разработка эффективных методов переведения почвенных карт в цифровой формат.

Оцифровка географической информации почвенных карт состоит из двух основных этапов: гсореференсации и векторизаиии. Для электронного атласа, содержащего множество слоев георефсреисация означает приведение всех слоев (карт) к системе координат одного слоя, который наилучшим образом соответствует заданному масштабу и территории (Рухович, 2012). Таким условиям отвечают топографические карты М 1:100 ООО Генштаба в системе координат Пулково 1942 и проекции Гаусса-Крюгера. исходные и ортотрансформироваиные космические снимки 1RS (6 м разрешения) и LandSAT ЕТМ+ (15 м), цифровая модель рельефа DEM SRTM 4.1 (3" в географической системе координат WGS84).

Для территории Ростовской области автору были доступны топографические карты М 1:100 000, космоснимки IRS и ЦМР SRTM 4.1. Поскольку наилучшее соответствие местности обеспечивает ЦМР, а топог рафическая карта содержит необходимые для привязки почвенной карты реперные точки, то в настоящей работе в качестве опорного слоя были выбраны сочетания всех трех слоев. Такой подход предпринят по причине многочисленных проблем в гсореференсации сканированных бумажных карт.

Проблемы определения пространственной привязки подобных тематических карт обусловлены рядом факторов: отсутствие информации о координатах, виемасштабное размещение частей хозяйств на одном листе, смещение листов карты, наклеенных на тканевую основу, неоднозначность определения границ соседних хозяйств и одной территории на разных картах. Для решения этих проблем потребовалось создание специализированного векторизатора. Особенность предлагаемого здесь подхода заключается в том, что в процессе векторизации (ручной, поскольку автоматическая трассировка для такого качества изображений вообще неприменима) за счет регулируемой прозрачности положение каждого почвенного контура постоянно сравнивается с особенностями рельефа, с деталями космоснимка (растительность, небольшие овраги, следы водотока), с элементами топографической карты (знаки лесополос, проселочные дороги и тропинки и т.п.). и таким образом корректируется.

В предлагаемой методике почвенная информация неразрывно связывает пространственное расположение контура, его атрибутивные показатели, комплексность, данные условий почвообразования и условия залегания по рельефу, указываемые в легенде. Ориентированность на решение почвенных задач также выражается в наличии точечных объектов - разрезов, для которых кроме координатной информации указывается также год обследования. Атрибутивная информация по образцам генетических горизонтов разреза хранится в присоединенной таблице, и может быть визуализирована по мере необходимости. То есть, хранится весь объем накопленных знаний. Кроме того, в рамках целенаправленного подхода предусматривается также возможность использования информации об объекте при экстраполяции или создании синтетических карт, то есть объектно-ориентировагшый подход к топологии. Технически неразрывность пространства обеспечивается, однако, например, для комплексов возможно наложение контуров с весом, а «пустые» пространства по отдельным факторам представляются значением «не определено», что более адекватно действительности и может быть скорректировано в процессе дополнительных почвенных обследований.

Еще одной особенностью данного подхода является следование принципу «ситуационной осведомленности» (CNews, 31.05.2010 Неогеография vs. картография. Часть 1). Предлагаемый векторизатор используется не как «одноразовый» инструмент, а как средство обеспечения постоянного уточнения и пополнения векторно-атрибутивной информации и не только профессиональными почвоведами-картографами. Роль простых пользователей в новой парадигме совершенно иная, и это ключевая роль. Она заключается, во-первых, в актуализации имеющейся информации и её контроле, и, во-вторых, в первичном создании локализованных в пространстве и во времени данных самой различной природы. Уместна аналогия с сетью Интернет: создаваемая профессионалами, она непрерывно пополняется создаваемым всеми пользователями контентом.

Техника работы с разработанным автором векторизатором описана в методиках и учебных пособиях (Крыщенко и др., 2008; Литвинов и др.,2011). Допускается использование до грех геореференсированных опорных слоев (например, космосиимок, кадастровый план, топографическая карта) с регулируемой прозрачностью. Атрибутивная информация имеет управляемую данными (data driven) самоописываемую структуру, то есть данные хранятся совместно с метаданными, описывающими их тип и область допустимых значений. Данные на выходе совместимы со стандартом обмена геоданными K.ML 2.2 (K.ML 2.2. Open Geospatial Consortium....2008) - применяемого в таких программных системах, как Goole Earth, ESRI ArcGIS, Erdas Titan и множестве отечественных программ типа SASG1S.

ГЛАВА 5. Организация вычислительного процесса н алгоритмы решения типовых задач почвенно-экологнческого и сельскохозяйственного мониторинга.

Ценность почвенного атласа повышается при возможности его использования для прогнозов и оценок, для составления синтетических карт. Разнообразие предметных областей и методов обработки исходных, первичных данных для получения производной синтетической информации весьма велико. В работе рассмотрен ряд таких методов в качестве примеров использования данных электронного атласа.

Одним из наиболее универсальных является метод перехода от категорийных, качественных величин к количественным (путем растрирования векторной информации), затем к выполнению цифрового преобразования соответствующего некоторой теоретически выведенной почвенной закономерности, и к выполнению шкалирования для перехода снова к векторному представлению уже других качественных величин (Рожков,2011;Голозубов и др., 2012). Данный метод описан на примере определения процента содержания физической глины в пахотном слое почвы в зависимости o r типа почвы, гранулометрического состава и комплексности.

Установление почвенных границ - один из наиболее сложных и субъективных этапов традиционного почвенного картографирования. На этом этапе увязываются точность картирования и степень выраженности границ между почвами, в зависимости от того, какими являются изменения в почвенном покрове: постепенными, неясными или резкими и ясными. В методике (Общесоюзная инструкция....1973) вводятся понятия категории сложности местности для почвенной съемки и приводятся величины погрешности расположения почвенных границ. Для масштаба 1:25 000 погрешность в положении границы почвенного выдела составляет от 50 метров для резкой выраженности до 250 метров для постепенных переходов, как например, между слабосмытыми и песмытыми почвами на пологих склонах.

Такой переход для Ростовской области (в центральном Донском районе - рис. 8) характеризуется сменой между черноземами южными глинистыми на красно-бурых глинах и черноземами южными суглинистыми па желто-бурых суглинках. То есть исходные данные заданы качественными величинами (Дмитриев, 1995). По таблице классификации почв по гранулометрическому составу для степного типа почвообразования (Табл. 1) процентное содержание глипы в этом переходе может варьироваться от 85% до 30%. Здесь классификация по Н.А.Качипскому является известной почвенной закономерностью. В условиях, когда ширина перехода составляет 250 метров, для вытянутых поперек склона почвенных контуров (например.

с длиной более 500 метров) площадь переходной зоны составит более 10 гектаров. Для определения балла бонитета почвы этого участка необходимо его шкалировать по баллу энергоемкости, который зависит от процентного содержания глины. Результат представляется в векторном виде с качественными (в виде шкалы) переменными в качестве атрибутивной информации.

Рис.8. Распределение почв по рельефу в центральном Донском районе (по С.А. Захарову): 1 - южные черноземы глинистые на красно-бурых глинах; 2 - южные черноземы суглинистые на желто-бурых суглинках; 3 - южные черноземы полусмытые, шебневатые; 4 - южные черноземы супесчаные на коренных песках; 5 - черноземовндпые песчаные почвы; I - меловые известняки; II - третичные пески; III - красно-бурые (структурные) глины; IV - темно-бурые лессовидные суглинки.

Краткое название по гранулометрическому составу Содержание физической глины (<0,01),%

Почвы

Подзолистого типа почвообразования Степного типа почвообразования Солонцы и сильносолонцеватые почвы

Песчаная:

Рыхло-песчаная 0-5 0-5 0-5

Связно-песчаная 5-10 5-10 5-10

Супесчаная 10-20 10-20 10-15

Суглинистая:

Легкосуглинистая 20-30 20-30 15-20

Среднесуглинистая 30-40 30-45 20-30

Тяжелосуглинистая 40-50 45-60 30-40

Глинистая:

Легкоглинистая 50-65 60-75 40-50

Среднеглинистая 65-80 75-85 50-65

Тяжелоглинистая >80 >85 >65

11роведем растрирование смежных почвенных контуров с достаточно мелким шагом, и поставим каждой точке растра в соответствие значение гранулометрического состава в этой точке: суглинистый или глинистый.

Таблица 1Б. Содержание физической глины в почвах степного типа почвообразования (Тип I), солонцах (Тип 2), солонцеватых почвах (на уровне родового признака) (Тип 3) - (процент * 10). _

Granularity Код Тип ! Тип 2 Тип 3

Не определено I 0 0 0

тяжелоглинистый 2 925 785 855

среднеглинистый 3 800 575 687

легкоглинистый 4 675 450 562

глинисто-суглинистый 5 600 400 500

тяжелосуглинистый 6 525 350 437

среднетяжелосуглииистый 7 450 300 375

среднесуглинистый 8 375 250 312

среднслегкосугл инистый 9 312 217 264

легкосуглинистый Ю 250 175 212

суглинисто-супесчаиый 11 200 150 175

супесчаный 12 150 125 137

супесчано-песчаный 13 100 82 91

песчаный 14 50 50 50

легкопесчаный 15 25 25 25

Наложение с весом

Тип Почвы

ГМС

Наложение с весом

Расчет % глины от типа почвы и ГМС

Влияние вес) 75% 8ес 25% Сложение с весом

2.2 2.2 3.3

2.2 1.1 1.1

1.1 2.2 2.1

Влияние(вес) 75% Вес 25% Рис. 9. Модель вычислений с жесткими границами.

2 ! 2 2 Г . 1

Результат

2.4 2.4 3.0

1.9 1.6 1.1

1.3 2.4 1.9

Результат

Если не учитывать «размытость» границ, то с помощью операций над растрами (рис.9) получают каргу содержания физ.глины с «жесткими» границами (рис.Ю). Эта карта более информативна, нежели простое векторное отображение ГМС па исходной почвенной карте.

Рис. 10. Карта ГМС векторная (слева) и растровая с учетом типа почвы (справа)

В методе размытых множеств одним из наиболее существенных является вопрос о форме распределения случайной величины P(Z) (рис. I!). Предположим, что это распределение является нормальным (рис. 12) с центром (средним) в точке (начало перехода на рис. 11) и стандартным отклонением равным длине отрезка а.|,вi. Значение «жесткости» контура зависит от степени выраженности границ почв, которая в свою очередь зависит от степени неоднородности рельефа. Предположим, что неоднородность рельефа линейно пропорциональна перепаду высот для данной территории (Крыщенко и др.. 2008). Установим, в этом случае, что жесткость контура, т.е. длина ai,B| выражается следующей формулой:

а„в, = 250-200*( Нк/Нтях).

Здесь Н,шх - это максимальный перепад высот для данного почвенного подрайона, I lk _ высота перепада высот между рассматриваемыми контурами. Для ясно выраженных границ (большой перепад высот между контурами. Hk= Н„,ах) длина отрезка составит 50 метров, и будет стремиться к 250 метрам при минимальном перепаде высот (Нк=0).

«i м

Рис. 11. Иллюстрация идей размытых множеств (по В.П. Самсоновой). Для решения вопроса, в какой степени участок между а1 и в1 представляет «Почву 1», а в какой степени «Почву 2» вводится функция «размытой» принадлежности Р(X) - вероятности для объекта отнести его к классу 1.

Crisp V/alues

Рис. 12. Представление краев контура статистическим распределением: Варианты с более «жестким» (Crisp) и более «мягким» контуром представлены нормальным распределением с зависимостью от неоднородности рельефа.

При наличии цифровой модели рельефа для данного участка (см. пример па рис. 10) и подрайона легко вычислить значения перепадов высот, после чего применить генератор случайных чисел с заданными характеристиками распределения к каждой точке отрастрированной области. - то есть, произвести рандомизацию (см. Владимирский. 1983; Пузаченко. 2004). Зона перехода получится заполненной числами в диапазоне от 0 до 1. Теперь, в соответствии с расчетной таблицей 1В умножим значение точек растра па соответствующее значение процентного содержания глины: для глинистого контура па 800 (в десятых долях процента), для суглинистого - на 375. Здесь взяты средние значения диапазонов, приведенных в таблице H.A. Качинского. В результате мы имеем растровую карту гранулометрического состава с плавным переходом из одной почвы в другую и шириной перехода пропорциональной перепаду высот местности. Синтезированное таким образом и увеличенное растровое изображение (рис.13) похоже на космические снимки таких переходов для вспаханного и проборонованного поля.

На рис. 14 представлены процесс размытия контуров для картограммы гранулометрического состава и картограмма процентного содержания глины, шкалированная с шагом в 10%. В случае комплексов почв, представляемых в настоящей работе в виде нескольких слоев монопочв с весовыми коэффициентами, формула расчета становится чуть сложнее за счет растрирования не одного, а двух или трех слоев и умножением растра на весовой коэффициент.

а) б)

Рис. 14.Размытые границы: а) - размытие границ контуров б) - итоговая картограмма процентного содержания физической глины в поверхностных почвенных горизонтах.

Итоговая модель (алгоритм) расчета с «размытыми» границами приведен на рис. 15. Отметим, что в данном методе приведен пример моделирования на качественном уровне. Хотя пространственней изменчивость гранулометрического состава и имеет нормальное распределение (Самсонова, 2008). но его параметры могут зависеть не только от рельефа, но и от друг их факторов.

Рис.13. Фрагмент почвенной карты изображенной на рис. 10. размытым растром границ трех почвенных контуров. Справа - в

Представление

Рис. 15. Модель расчета % глины в зависимости от рельефа (перепада высот) местности и «жесткости» границ почвенных контуров

Здесь продемонстрирован пример воплощения в модели:

• Перехода от качественных признаков к количественным:

• Переведения в цифровой формат теоретических наработок классических формул и законов почвоведения;

• Возможности числового расчета вклада комплексности в оценочные показатели:

• Возможности подключения данных рельефа и информации о тине почвы:

• Выполнения операций над растрами для получения количественных результатов и качественных оценок.

Большое внимание, уделяемое растровым операциям, объясняется высокой степенью их применимости при использовании различных вспомогательных карт, имеющих растровую природу. В представленном атласе содержится цифровая модель высот всей Ростовской области, из которой легко получить такую же модель для любого ее участка. Для расчетов румба экспозиции склона или степени его наклона, для расчетов зон водосборных бассейнов или тальвегов используются именно растровые модели. Алгоритмы расчета известны давно и подробно описаны в работах (Сорокина, 2003, Козлов Д.П.. 2009) и учебных пособиях (Крыщеико. Голозубов. 2011). В данной работе подчеркивается техническая возможность реализации этих методов в виде моделей, оперирующих со слоями (картами) атласа, и целесообразность включения этих моделей в атлас с целью получения синтетических карт, содержащих качественно новые почвенно-географические данные.

ГЛАВА 6. Реализация ночвснмо-гсографпческого атласа РО и выполнение почвенных

исследований на его базе. 6.1. Структура цифрового атласа почв РО п характеристика объема работ

Атлас почв, предназначен для использования в качестве картографического материала при выполнении учебных и научно-исследовательских работ в области почвоведения и экологии, а также для проведения мониторинга состояния почвенного покрова Ростовской области. Атлас содержится в электронном приложении (диске) к работе, а также доступен через Интернет (http://www.soilmatrix.ru/atlas/pmf.zip).

Содержание атласа является постоянно пополняемым ресурсом (база данных плюс графическая оболочка) и насчитывает более 100 слоев. Структура содержания первой версии атласа почв состоит из 4-х частей (рис. 16):

Атлас почв Ростовской области

В0_

Е1 0 Почвенные карты

В 0 Топооснова

В 0 Исследования на основе почвенных карт

В 0 Растровые данные иДДЗ Рис. 16. Структура атласа почв РО.

Раздел «Исследования на основе почвенных карт» за 2012 год пополнился результатами работ, выполненных на стыке почвоведения и экологии, ботаники, землеустройства и городского планирования и других дисциплин - рис. 17.

Атлас содержит файлы документации и вспомогательных программ. Рекламно-техническое описание содержит 123 страницы, 3 приложения. Здесь же содержится инструкция по установке и запуску электронного ресурса, а также технические требования к компьютеру.

В 0 Исследования на основе почвенных карт

В 0 Приведение к единой классификации и нониторинг почв 1939-1990 гг. 12 □ Приведенный ГМС-белокалитвенский р-н, 1989-1990 гг. В 0 Приведенный ГМС-Белокалитвенский р-н (Захаров С. А.), 1939 гг. 1+] □ Приведенный ГМС-Белокалитвенский р-н (Захаров С.А.), 1939 гг.-ллощади В 0 Приведенный ГМС-Белокалитвенский р-н (Южгипрозем), 1975 гг. В □ Приведенный ГМС-Белокалитвенский р-н (Южгипрозем), 1975 гг.-площади В С Почвенные районы и подрайоны Ростовской области В 0 Почвенное районирование В 0 Распространение чернозема южного В С Исследование загрязнения почв обусловленных атмосферными выбросами В 0 Труба ГРЭС В 0 Точки контроля 2010 год 0 0 Коэффициент(экспозииия-жаклон) В 0 гопа25кт В 0 2ona_sputnik.jpg В О ЗАО "Дружба" Белокалитеенсхого района В 0 Границы Участков В 0 ИИ В 0 Кадастр В 0 Растр В С Красная Книга_РО В 0 Растения В 0 Животные В О Почвенная картосхема г. Ростова-на-Дону В 0 Типы почв В 0 Категорий земель

Рис. 17. Содержание 3-й части электронного атласа.

6.2. Исследования динамики гранулометрического состава почв РО

Проведен сравнительный анализ почвенных карг 1939 года (М 1:500 000) и 1975 года (М 1:300 000). Для анализа использовался слой, отражающий гранулометрический состав почв. Проведена классификационная генерализация с переходом на более высокий таксономический уровень. Наименования «супесчаные» и «песчаные» на карте 1939 года отнесены к «легким» почвам. Наименования «супесчаные», «песчаные», «песчаники» и «частая смена по глубине и площади пород различного состава с преобладанием супесей и песков» на карге 1975 года также отнесены к «легким». Замечено уменьшение доли легких почв с 6 до 5 процентов, при остальных расхождениях в карте не превышающих 0.3%. Эта же цифра означает 20%-е сокращение легких почв. Это очень значительная динамика, фактически идет речь об изменении разновидности почвы за 50 лет на большой территории. Данные расчетов площадей приведены в работе.

Одним из районов, в котором заметно сократилась доля площади легких почв, является междуречье рек Северский Донец. Калитва, Быстрая в Белокалигвенском районе. Для этого района на подготовительном этапе была проведена полная корреляция названий почв по гранулометрическому составу. После обрезки карты 1939 по контуру хозяйства «Краенодонецкий» и сопоставления зон легких почв в сопоставимых цветах получили картину, отображённую на рис. 18. На карте 1939 года вдоль левобережного склона р. Северский Донец с юго-западной экспозицией и вдоль р. Быстрая расположены полосы легких почв. На карте 1990 года эти полосы превратились в отдельные островки. Конечно, более мелкие структуры на крупномасштабной карте могут при генерализации отображаться сплошными областями в мелкомасштабной карге, однако, вряд ли этим можно объяснить смещение верхней (по склону р. Северский Донец) границы легких почв вниз на 2-3 км. Для этой зоны и было проведено полевое обследование в сентябре 2011 года.

Были обследованы территории на правом берегу реки Северский Донец и левом в междуречье Калитвы и Быстрой. Была поставлена задача с помощью ОРв-приемника и спутниковых фотографий взять пробы в тех точках, где были сделаны разрезы при почвенных обследованиях 1976 года. Разрез 1 находится в пойме реки Северский Донец на

заливном лугу, разрез 2 на склоне, переходящем в балку, на краю водораздела рек. Разрез 3 находится на плато в центре водораздела рек. Разрез 4 находится на краю водораздела па плато, за которым к западу начинается склон реки Донец. Разрез 5 расположен ма верхней террасе склона реки Донец. Таким образом, были проанализированы все характерные для данной местности структуры рельефа. Всего было отобрано 50 образцов почв (но 5 образцов на профиль для 10 точек). Данные полевых измерений приведены в работе. В лаборатории кафедры почвоведения был проведен анализ механического состава, содержания гумуса и определение прочих химических и физико-химических свойств отобранных образцов. Отбор проб, обследование и лабораторный анализ проводили аспиранты кафедры почвоведения Ю.А. Литвинов и С.Н. Киров. Данные анализа приведены в работе.

1939е

Рис. 18. Сравнение распределении почв по гранулометрическому составу разномасштабных карг 1939 (справа ¡VI 1:500 ООО) и 1990 (слева ¡VI 1:25 000) годов. ЗАО «Дружба» Белокалш венский район Ростовской области. Зона песков находится па левом берегу р. Ссверский Донец по склонам от водораздела р. Калптва (па северо-западе) н р. Быстрая (па юго-востоке) к поймам всех трех рек.

Отметим, что сокращение площади легких почв верхней террасы Донца было замечено на этапе сравнительного анализа зон легких почв на картах 1939 и 1990 годов. Причинами такого изменения за 50-70 лет может быть ветровая и водная эрозия, но не исключен и чисто механический перенос тяжелых почв со склонов и краев плато водораздела (уменьшение % содержания глины для разреза №2) па верхние террасы (разрез №5). Данный вывод, возможно, требует уточнения и дополнительных обследований, тем не менее, результаты обследования и анализов подтверждают выдвинутую гипотезу.

Еще раз подчеркнем, что в основном проверялись возможности применения электронного атласа для мониторинговых исследований динамики почвенного покрова. На примере анализа площадей легких почв за 50 лег была выдвинута гипотеза, намечены точки нолевого обследования, и проведена проверка гипотезы. В этом, собственно, и заключается принцип компьютерной имитации косвенного почвенного картографирования, или, другими словами, аналитические и синтезирующие возможности электронного почвенного атласа. 6.3. Анализ почвенной пестроты полей отдельных хозяйств РО.

В процессе исследования почв Белокалитвенского района, при послойном рассмотрении почвенной карты зоны, намеченной для полевого обследования, было отмечено, что во многих полях севооборота присутствуют по нескольку почвенных выделов по гранулометрическому составу, почвообразующим породам и даже по типу почв (то есть наблюдается пестрота полей по почвообразующим факторам и по почвам). С целью проверить возможности применения электронного атласа для решения практических задач, а также уточнить назначение атласа и круг его пользователей мы проанализировали

возможности использования атласа для учёта пестроты почвенного покрова при оценке почв и землеустройстве. От собственника и агронома хозяйства были получены перечень кадастровых номеров. принадлежащих хозяйству. план внутрихозяйственного землеустройства, начерченный на устаревшем космическом снимке низкого разрешения, и документ «Структура размещения с/х культур по полям ОАО Дружба в 2011 году».

При наложении слоя границ полей и слоя гранулометрического состава визуально обнаружены поля, в пределах которых присутствовала неоднородность по почвенным свойствам. К таковым относятся поле № 5 (супеси и суглинки), 84 (глины и суглинки) и другие комбинации (рис. 19б). При наложении слоя почвообразующих пород также были обнаружены ноля с пестротой № 84 (древнеаллювиальные песчаные отложения, желто-бурые легкие глины и суглинки), №40 (супеси и желто-бурые суглинки) и другие (рис. 19„).

а) б) в)

Рис. 19. а) - карга внутрихозяйственного устройства ЗАО «Дружба» б) выделение ЭПА с фиксированным % физической глины в зависимости от ГМС и в) от почвообразующих пород.

Отметим, что практические задачи перекомпоновки полей для уменьшения их пестроты, или задачи расчета кадастровой стоимости участка в соответствии с пестротой являются типовыми и востребованными для современного способа хозяйствования с частой сменой собственников. ВЫВОДЫ

1. Современный почвенный атлас регионального уровня представляет собой пополняемый электронный ресурс, ядром которого являются цифровая модель рельефа, векторизованные разномасштабные и разновременные почвенные карты и точечные данные почвенных обследований. Дополнительные карты природных явлений, административно-хозяйственных и других антропогенных факторов могут подключаться динамически в соответствии с задачами использования атласа.

2. Доказана необходимость перевода в цифровую форму архивных материалов почвенных обследований (карг и очерков) с целью создания «точки отсчета» в мониторинговых исследованиях. Применение методов гармонизации позволяет частично компенсировать недостатки архивных материалов.

3. Разработаны принципы формирования единого крупномасштабного картографического пространства, заключающиеся в представлении легенды в виде набора компактных таблиц отдельно по каждому таксономическому признаку, применении таблиц корреляции по этим признакам почвенных классификаций различных годов, и использовании таблиц

классификационной генерализации для случаев, когда прямое соответствие между классификациями установить невозможно.

4. Для векторизации почвенных карт реализованы алгоритмы и специализированное программное обеспечение, показавшие свою эффективность при почвенно-ландшафтпом картографировании. Объем проанализированного и векторизованного архивного материала является представительным, охватывает все природно-почвенные зоны РО, и позволяет обобщить опыт векторизации на территорию всей области (более 800 хозяйств в РО, 3000 наименований основных почв в легендах крупномасштабных карт, проанализировано 150 карт и очерков почвенных обследований, созданы цифровые карты - 2 среднемасштабпых карты области 1939 и 1975 гг., крупномасштабная карта Белокалитвенского района - 12 хозяйств, 12 карт хозяйств различных природно-почвенных районов РО).

5. Представление комплексов и сочетаний почв в виде нескольких слоев (до 3-х) контуров однородных почв из перечня наименований основных почв легенды с указанием весового коэффициента (процента содержания почвы в комплексе) позволяет получать компактные и наглядные факторные карты, и дает возможность производить эффективные вычисления целевых показателей.

6. Разработанные структуры данных позволяют представлять в расчетных алгоритмах карты с нечеткими границами между почвенными контурами в виде «размытых множеств», и трансформировать качественные показатели в полуколичественные и количественные данные. Метод апробирован для создания картограмм гранулометрического состава почв на основе традиционных среднемасштабпых почвенных карт.

7. С помощью электронного атласа можно проводить оценку динамики почвенного покрова по отдельным признакам с целыо мониторинга, выявлять участки с пестротой почвенного покрова в пределах отдельных нолей для целей землеустройства, а также решать целый ряд других научных, практических и учебных задач. Достоинством ресурса является его открытость, пополняемость и повышение эффективности по мере накопления информации.

Практические рекомендации по теме диссертации

1. Рекомендовать к использованию методику формирования регионального почвенного атласа с включением архивных материалов почвенных обследований в государственных структурах природоохранного и сельскохозяйственного мониторинга.

2. При кадастровой оценке земель сельскохозяйственного назначения определять разработанным способом почвенную «пестроту» земельных участков и определять её вклад в оценку этих участков.

3. При проведении научно-исследовательских работ и почвенных обследований на территории РО осуществлять сбор данных с помощью разработанных алгоритмов и программного обеспечения с последующим размещением этих данных в соответствующие разделы атласа.

Список основных работ, опубликованных но теме диссертации Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Крыщснко B.C., Голозубов О.М., Овчаренко М.М., Темников В.11. База данных широкомасштабного почвенно-экологичсского мониторинга агродандшафтов: реляционный подход//Агрохимический вестник. 20Ю.-№ 1.-С.12-16. (50% 0.6 п.л.)

2. Крыщенко B.C., Голозубов О.М. Проблемы почвенного мониторинга агроландшафтов: структура и модель данных // Агрохимический вестник. 2010. -№ 5. -С.2-6 (60% 0.6 п.л.)

3. Крыщепко B.C.. Голозубов О.М., Темников В.П. .Овчаренко М.М. Реляционный подход к созданию базы данных широкомасштабного почвенного эколого-агрохимичсского мониторинга // Нива Поволжья. 2011. -№ 1. - С.40-46. (30% 0.6 п.л.)

4. Литвинов Ю.А., Голозубов О.М. Опыт преподавания цифровой картографии и ГИС-тсхнологий па кафедре почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного Федерального университета // Современные проблемы пауки и образования. 2011. -№6 -С.269-269 (30% 0.33 п.л.)

5. Крыщенко B.C., Замулина И.В., Голозубов О.М., Литвинов Ю.Л. История и современное состояние районирования почвенного покрова Ростовской области//Фундаментальные исследования. 2012. -№5-2 -С.415-421 (25% 0.6 п.л.)

6. Kryshchenko V.S., Goncharova L.Y., Kravtsova N.Y., Golozubov O.M. Types of dynamic balance in a polydisperse soil system //Nauka i studia. 2012. -6(51). P. 65-69 (25% 0.4 п.л.)

7. Крыщенко B.C., Голозубов O.M., Сахабиев И.А., Литвинов Ю.А. Применение ГИС-технологий для мониторинга земель Заинского государственного сортоиспытательного участка республики Татарстан // Вестник Томского государственного университета. 2013. -№366.-С. 180-183 (25% 0.4 п.л.)

Статьи, оиубликоваипые в других изданиях

8. Голозубов О.М., Крыщенко B.C. Механизмы формирования глобальной базы данных почвенного мониторинга. // Научный сервис в сети Интернет: су пер компьютерные центры и задачи. Труды Международной суперкомпьютерной конференции (20-25 сентября 2010 г., г. Новороссийск). - М.: Изд-во МГУ, 2010. -С.486-487 (75% 0.2 п.л.)

9. Голозубов О.М., Литвинов Ю.А. Подготовка почвенных данных для мониторинга и кадастровой оценки земель сельхозназначения. // Материалы 6 Всероссийского съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева. 2012. т.1, -С.240 (50% - 0.08 п.л.)

10. Голозубов О.М., Крыщенко B.C., Замулина И.В., Татаринцева О.П. Интернет-реализация электронного банка данных состава и свойств почв Южного Федерального округа. // Научный сервис в сети Интернет: Многоядериый компьютерный мир. 15 лет РФФИ: Труды Всероссийской научной конференции (24-29 сентября 2007 г., г. Новороссийск). - М,: Изд-во МГУ, 2007. С. 311-312 (50% 0.1 п.л.).

11. Крыщенко B.C., Колесов В.В., Голозубов О.М., Рыбянец Т.В. Базы данных состава и свойств почв//Учебное пособие. Ростов-на-Дону, Изд-во РСЭИ,2008. 145 с. (33% 4 п.л.)

П.Литвинов Ю.А., Голозубов О.М. К методике формирования электронной почвенной карты Ростовской области, па примере Белокалитвенского района //Материалы 6 Всероссийского съезда Общества почвоведов им.В.В.Докучаева. 2012, т.З, с.275.(50%0.1 п.л.).

13. Крыщенко B.C., Гончарова Л.Ю., Кравцова U.E., Голозубов О.М. Неравномерность распределения элементов питания растений в твердой фазе почв. // Материалы Международной научной конференции «Почвы Азербайджана: генезис, география, мелиорация, рациональное использование и экология» посвященной 85-летию М.Абдуева. Баку, 2012. 4.2 - С.892-895 (10% 0.2 п.л.)

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ, полученные па разработанные алгоритмы и программное обеспечение

14. Информационно-поисковая система хранения, анализа и администрирования информации о составе и свойствах почв Южного Федерального округа с использованием Web-интерфейса (SoilMatrix) Per. номер 2009610963 (11.02.2009)

15. Базы данных параметров состава и свойств почв Южного Федерального округа (SoilBase) Per. номер 2009620177 (15.04.2009)

16. Электронный атлас почв Ростовской области. Per. номер 5020150538. Регистрация ФАП №18170 от 27.04.2012 г.

Учебно-методические материалы, опубликованы в Интернет

17. Электронная база данных состава и свойств почв на гранулометрической матрице. Электронный учебник. http://\v\v\v.soilmatrix.ru/tator/

18. Технология формирования баз данных состава и свойств почв. Интерактивный электронный учебник. http://\v\v\v.soiImatrix.ru/pr_soilrnatrix/_start.html

19. Методические указания к практическим занятиям: «Методы сбора, внесения информации и векторизации почвенных карт в базе данных Soil Matrix» по курсу «Базы данных почв и ГИС технологии» http://vvvvw.soilrnatrix.ru/docs/metod.pdf

20. «Математическое моделирование в почвоведении». Электронный учебник http://vwvvv.soilmatrix.ru/e-book/start.html

Подписано в печать 03.04.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Объем 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100. Заказ № 2147.

Отпечатано в типографии ООО «Диапазон-Плюс». 344011, г. Ростов-на-Дону, пер. Островского, 124 Лиц. ПЛД № 65-116 от 29.09.1997 г.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Голозубов, Олег Модестович, Москва

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

На правах рукописи

Голозубов Олег Модестович 04201356304

ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОЧВЕННО-ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО АТЛАСА РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ КАК МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СПРАВОЧНО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ

03.02.13 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Крыщенко В.С.

Москва 2013

Содержание:

Введение.........................................................................................................................................4

1. Классические и современные почвенно-географические атласы: Обзор литературы.......8

1.1. Особенности современных атласов как произведений системного типа.....................8

1.2. Тематические почвенные атласы - анализ подходов и реализаций............................12

1.3. Цифровые атласы, электронные карты, ГИС-атласы, Интернет-атласы, почвенные базы данных - сходства и отличия........................................................................................15

1.4. Цифровое и традиционное почвенное картографирование. Анализ подходов..........17

1.5. Комплектация тематических атласов: источники, топоосновы, вспомогательные карты, производные карты, описания и модели...................................................................22

1.6. Классификация объектов и построение легенд цифровых атласов.............................26

1.7. Назначение и применение почвенных атласов. Примеры реализаций......................28

2. Характеристика объектов исследования...............................................................................43

2.1. Природно-почвенное районирование Ростовской области..........................................43

2.2. Антропогенно-временное районирование Ростовской области..................................49

2.3. Архивные почвенные карты среднего масштаба (область, район)..............................52

2.4. Архивные крупномасштабные почвенные карты и их легенды..................................55

2.5. Архивные почвенные очерки и точечные (профиль) данные почвенных обследований............................................................................................................................60

2.6. Топографические основы, рельеф и вспомогательные карты......................................62

2.7. Интернет как источник актуальной пространственной информации.......................69

3. Методы исследования: сочетание цифровой почвенной картографии и традиционного почвенного картографирования.................................................................................................72

3.1. Иерархически-реляционная структура базы данных состава и свойств почв............72

3.2. Корреляция почвенно-генетических классификаций и формирование легенд почвенных карт........................................................................................................................77

3.3. Геореференсирование (привязка) и коррекция архивных почвенных карт по цифровой модели рельефа......................................................................................................81

3.4. Векторизация почвенных контуров и разрезов.............................................................83

3.5. Методика формирования атрибутивной информации для точечных (разрез, проба, наблюдение) данных...............................................................................................................86

3.6. Вариабельность почвенных свойств, континуально-дискретная природа почвы и их представление в почвенных картах.......................................................................................89

3.7. Обработка вспомогательных материалов (рельеф, метеоданные) , их растрирование

и отображение на почвенных картах.....................................................................................94

3.8* Обоснование выбора места и проведение полевого почвенного обследования........97

3.9. Разработка информационно-вычислительной среды для создания и функционирования основных и вспомогательных картографических материалов с динамически модифицируемыми данными........................................................................101

4. Результаты и обсуждения.....................................................................................................102

4.1. Структура цифрового атласа почв РО и характеристика объема работ...................102

4.2. Исследования динамики гранулометрического состава почв РО..............................107

4.3. Анализ почвенной пестроты полей отдельных хозяйств РО.....................................122

4.4. Обсуждение: пути и направления развития электронного атласа.............................127

ВЫВОДЫ...................................................................................................................................128

Список литературы....................................................................................................................132

Официальные документы....................................................................................................132

Статьи, монографии, рефераты, диссертации, тезисы на русском языке........................132

Литература на иностранном языке......................................................................................137

Электронные и Интернет-ресурсы.......................................................................................140

Список опубликованных работ............................................................................................141

Приложения................................................................................................................................143

Реконструкция классификации почв Ростовской области по карте 1939 г. под ред.

Захарова С.А...........................................................................................................................143

Подготовка атрибутивных данных - пример гармонизации таксономических признаков .................................................................................................................................................146

Введение

Актуальность темы исследования:

Крупно- и среднемасштабное почвенное картографирование находит свое применение в разных областях, в том числе при решении задач почвенно-экологического и сельскохозяйственного мониторинга. Необходимым условием для мониторинговых исследований является наличие «точки отсчета» - данных прошлых почвенных обследований. Для Ростовской области особенно актуальна также история антропогенного воздействия на почвенный покров. Использование современных компьютерных, геоинформациионных и Интернет-технологий дает новые'инструменты для накопления и обработки почвенных данных, а также открывает возможности подключения к анализу других природно-географических факторов (Шоба и др.,2010). Комплексный анализ разновременной, разномасштабной и разнородной природно-почвенной информации позволяет получать не только более объективную оценку процессов почвообразования, но и численные характеристики почв и почвенного покрова, необходимые для применения в практических целях (Introduction to the European Soil Database..., Environmental Geochemical Atlas of Central and Eastern England ... и др.). Разработка методов переведения архивных почвенных материалов в цифровой формат, формирование структур атрибутивных данных, обеспечивающих единое картографическое пространство региона, и создание моделей (алгоритмов) использования в исследованиях комплексной почвенно-географической информации являются основополагающими шагами в создании почвенного атласа регионального уровня. Представляется актуальным скорейшая разработка указанных методов на основе существующих почвенно-географических представлений и современных технологических достижений.

Цель работы: разработка концепции и практического алгоритма создания регионального почвенно-географического электронного атласа на примере Ростовской области (РО).

Задачи исследования:

1. Разработать концепцию, принципы построения и структуру электронного почвенного атласа регионального уровня, рассчитанного на широкий круг пользователей и решаемых задач.

2. Охарактеризовать состояние архивных материалов почвенных обследований и предложить для Ростовской области принципы перевода архивов в цифровую форму.

3. Разработать принципы формирования единого картографического пространства атласа с использованием методов классификационной генерализации, корреляции почвенных таксономических признаков и гармонизации атрибутивных данных.

4. Осуществить выборочный перевод в цифровую форму и включение в атлас материалов, характеризующих почвенный покров Ростовской области, в том числе архивов разномасштабных разновременных почвенных и других вспомогательных карт, описаний и аналитических данных почвенных разрезов для основных природно-почвенных зон РО.

5. Обосновать и разработать подходы и методы отражения структуры почвенного покрова в электронном атласе. Предложить и апробировать организацию вычислительного процесса, алгоритмов и структур данных в рамках традиционной парадигмы цифровой почвенной картографии.

6. Обосновать необходимость и разработать метод представления границ между почвенными контурами на карте в размытом виде, соответствующем постепенности переходов между почвами в природе.

7. Апробировать атлас в качестве инструмента решения мониторинговых, землеустроительных и учебных задач и предложить ряд подходов и алгоритмов решения этих задач.

Объектом (Предметом) исследования является:

- Ростовская область (по материалам почвенных карт масштаба 1:500 ООО под редакцией профессора Захарова A.C., 1939 г. и Гипрозема, 1975 г.);

- территория 26 хозяйств, принадлежащих различным природным зонам Ростовской области (масштаб 1:25 ООО, данные обследований Гипрозема 1970-1990 гг.);

- 130 томов почвенных обследований, содержащих почвенные карты и очерки. Материалы исследования.

Решение перечисленных задач базируется на использовании следующих независимых источников информации:

• результатов почвенных обследований (экспедиции) земель Белокалитвенского района Ростовской области;

• данных многолетнего мониторинга загрязнения зоны Новочеркасской ГРЭС;

• материалы почвенных обследований ГипроЗем (почвенные карты и очерки) М

1:10000, 1:25000;

• почвенная карта Ростовской области М 1:500000 под редакцией проф. Захарова,

1939 г.

• цифровой модели высот (ЦМВ) DEM SRTM с шагом 3";

• топографических карт Генштаба масштаба 1:100000;

• векторной карты границ.кадастровых участков Росреестра;

• база данных состава и свойств почв ЮФО SoilMatrix;

• ГИС-карта Ростовской области (слои: почва, растительность, гидрология);

• географически привязанных снимков земной поверхности GoogleEarth, САСГИС;

• спутниковых снимков Landsat, IRS и других систем;

• данных о фактической погоде наземных метеорологических станций через систему

свободного международного обмена метеоданными.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разномасштабные и разновременные почвенные карты могут быть синтезированы в единое картографическое пространство регионального почвенно-географического атласа путём картографической генерализации, классификационной корреляции и гармонизации атрибутивных данных.

2. Основой легенды для электронного почвенно-географического атласа является структура связанных таблиц по каждому таксономическому признаку отдельно, и принцип представления комбинаций почв (комплексов и сочетаний) в виде весовых коэффициентов отдельных таксономических признаков, что позволяет трансформировать качественные данные традиционных почвенных карт в полуколичественные и количественные данные и получать числовые оценки почвенных свойств.

Научная новизна исследований.

Впервые при крупномасштабном цифровом почвенном картографировании принципы формирования единого картографического пространства применялись в объеме данных района (области).

Обоснована необходимость использования разномасштабных и разновременных почвенно-картографических материалов в качестве основы для решения мониторинговых задач.

Впервые разработаны и реализованы структуры данных, методы оцифровки архивных материалов и алгоритмы, обеспечивающие решение широкого спектра задач почвенно-экологического и сельскохозяйственного мониторинга.

Впервые осуществлена реализация электронного почвенного атласа регионального уровня в виде распределенного комплекса программных продуктов.

Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв и выявлена тенденция к сокращению доли легких (супеси и пески) почв на территории РО.

Практическая значимость:

1. Внедрение цифровых методов анализа пространственной информации позволяет достичь значительного увеличения скорости и уменьшения стоимости почвенно-ландшафтного картографирования.

2. Почвенные карты и структурированная атрибутивная информация, разработанные в целом для Ростовской области по данным 1939 г., для Бело-Калитвенского района и ряда хозяйств основных природно-почвенных зон области по данным 1980-90 гг., выполняют функцию «точки отсчета» для решения мониторинговых задач.

3. Разработана методика анализа почвенной пестроты земельных участков на примере ОАО «Дружба», выявления полей внутрихозяйственного землеустройства, содержащих неоднородные участки и, соответственно, требующих раздельной кадастровой оценки.

4. Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв, с использованием возможностей электронного атласа. Выявлена тенденция к сокращению доли легких (супеси и пески) почв на территории Ростовской области.

5. Результаты работ внедрены в рамках научных, научно-практических и образовательных работ. Создан и регулярно пополняется электронный атлас почв РО, что расширяет познавательные возможности почвенно-ландшафтных исследований разномасштабной неоднородности почвенного покрова и его отдельных свойств. Применение методов для анализа и мониторинга зон загрязнения, обусловленных атмосферными выбросами Новочеркасской ГРЭС, позволило сформулировать перечень требований к точности и объему исходных данных и алгоритмов их преобразования. Включение в атлас данных экологического мониторинга видов растений и животных, занесенных в Красную Книгу Ростовской области, позволяет осуществлять исследования в смежных областях науки.

6. Разработаны спецкурсы «Базы атрибутивных данных почвенных свойств и процессов» и «ГИС: крупномасштабное почвенное картографирование», которые преподаются магистрам по направлению подготовки «021900 Почвоведение Магистерская программа М02190004-12-1-2 География и картография почв». Выполняемые в рамках магистерской подготовки проекты пополняют БД БоНМайх и атлас почв РО.

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на Всероссийской (9-й) 2007 г., и Международной (10-й) 2010 г. суперкомпьютерной конференциях «Научный сервис в сети Интернет», на 6 Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (доклады на симпозиуме по информационным ресурсам в почвоведении и секции по картографии почв). Сделан доклад по теме работы на постоянно действующем семинаре по ЦПК и педометрике в ГНУ Почвенный институт им. В.В.Докучаева Россельхозакадемии и на заседании кафедры Географии почв Факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в полевых исследованиях, в отборе и анализе проб, разработке структур данных и программного обеспечения, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, оцифровке и картографировании 30 % объема атласа почв РО, разработке методов представления атрибутивной информации и алгоритмов пространственного анализа, участии в составлении корреляции почвенных классификаций.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 работ, включая 7 статей в журналах из списка ВАК; получено 3 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ, разработано и размещено в Интернет 4 электронных интерактивных учебных пособия.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за неоценимую помощь в работе над диссертацией научному руководителю - д.б.н.,

заведующему кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета B.C. Крыщенко, и д.б.н., профессору О.С.Безугловой.

Автор благодарит за помощь в проведении исследований, консультации по методам директора ФГУ ГЦАС «Ростовский», д.б.н., проф., О.Г. Назаренко, директора ООО «Южгипрозем» Е.М. Цвылева.

Автор благодарит сотрудников ГИВЦ Минсельхоза РФ и сотрудников центров агрохимической службы Ростовской области за предоставленные архивные материалы.

1. Классические и современные почвенно-географические атласы: Обзор литературы

1.1. Особенности современных атласов как произведений системного типа.

PTavrica^I CHF.BiOXts" vs.

ЛоЛга tetacc ?rzecopfca et Ciazira і L dicttur я

urn!

A T LA ¡3

HVl

CO SMOG RAP HI СЛ. MEDITAT ION E S

DI

FAB RICA MVND1 ET FABR.ICATI FIGVR.A.

Щілплсхсгі

Mcntii pah,V,££

СП05

История почвенной картографии в России насчитывает уже более 150 лет (Герасимова,... 2010). Обычно в этом периоде выделяют додокучаевский период, докучаевский период, период переселенческих работ, довоенный и послевоенный периоды, современный период. Каждый из периодов характеризовался определенными достижениями, а карты отвечали уровню знаний о почвенном покрове.

В современном периоде в связи с принципиальным изменением технологических возможностей (дистанционного зондирования, ГИС-технологий) наблюдается бурный рост атласной картографии, повышается точность, достоверность и скорость создания и обновления почвенных карт.

Сама же атласная картография