CC BY
71
DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10302 УДК: 63:528.921:004.032.26
Интеграция оценки агроэкологических и технологических свойств земель
В. К. КАЛИЧКИН1, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник (e-mail: kvk@ngs. ru)
A. И. ПАВЛОВА, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник1, доцент2
B. Н. ШОБА1, доктор биологических наук, главный научный сотрудник
A. В. КАЛИЧКИН1, научный сотрудник Сибирский федеральный научный центр агробиотехнологий РАН, пос. Краснообск, Новосибирский р-н, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация
2Новосибирский государственный университет экономики и управления, ул. Каменская, 52, Новосибирск, 630099, Российская Федерация
Резюме. Цель исследований - разработка интегрированной системы автоматизированной оценки земель сельскохозяйственного назначения с использованием методов дистанционного зондирования и геоинформационного моделирования. Система состоит из взаимосвязанныхэтапов: выполнение аэрофотосъемки с использованием беспилотного летательного аппарата и построение ортофотоплана территории М 1:1000с высотой сечения рельефа 0,5 м; создание цифровой пространственной модели землепользования; корректировка существующей почвенной карты; агроэкологическая типизация земель и создание карты типов земель; технологическая оценка рабочих участков типов земель. Система реализована на примере землепользования ЗАО «Мирный» Коченевского района Новосибирской области. Выделены следующие агроэкологические типы земель: 1) слабоэрозионные земли с сочетаниями черноземов обыкновенных, лугово-черноземных и черноземно-луговых почв на плакорах и склонах 1...3"; 2) слабоэрозионные земли с сочетаниями черноземов обыкновенных, лугово-черноземныхи черноземно-луговых почв в комплексе с луговыми солодями и серыми лесными осолоделыми почвами на плакорах и склонах 1.2°; 3) переувлажненные земли с сочетаниями луговых обыкновенных, солончаковатых и солончаковых почв, лугово-болотных и болотных почв и их комплексов с солонцами на плоских понижениях и в нижних частях склонов. Для земельных участков первого типа земель характерна несложная конфигурация, близкая по форме к прямоугольной, средневзвешенное значение индекса технологических свойств -1,99, нормативная урожайность пшеницы - 2,54 т/га. Для участков второго типа земель характерна сложная конфигурация и повышенная комплексность почвенного покрова, средневзвешенное значение индекса технологических свойств - 2,45, нормативная урожайность пшеницы - 2,45 т/га. По усредненному индексу технологических свойств рабочих участков первый тип земель более благоприятен для сельскохозяйственного использования, по сравнению со вторым, и характеризуется меньшими технологическими затратами.
Ключевые слова: агроэкологические типы земель, технологические свойства, оценка, ГИС, ДДЗЗ.
Для цитирования: Интеграция оценки агроэкологических и технологических свойств земель / В. К. Каличкин, А. И. Павлова,
B. Н. Шоба и др. //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 11-14. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10302.
В последние годы разработка отечественных автоматизированных систем оценки земель сельскохозяйственного назначения различной направленности получает все большее развитие. В качестве примера можно привести результаты исследований кафедры систем искусственного интеллекта Сибирского федерального университета и специального конструкторско-технологического бюро «Наука» КНЦ СО РАН (г. Красноярск). Они разработали
методику оценки агроэкономического потенциала земель, базирующуюся на использовании сведений об их характеристиках с применением данных ГИС-мониторинга [1, 2]. Авторы вводят понятие коэффициента технологической эффективности сельскохозяйственного контура (ТЭСК), который поэтапно рассчитывается с помощью интеллектуальной системы поддержки принятия решений. В то же время, по нашему мнению, методика слишком «тех-нологизирована» и недостаточно учитывает природные условия территории(районирование зональных условий и классификация земель), хотя их экспертная оценка частично заложена в созданные базы знаний.
Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия начинается, как известно, с районирования территории и агроэкологической типизации земель [3]. Положение о типах земель в качестве обособленных территорий с однородными природными условиями, разработанное в середине ХХ в. [4], со временем эволюционировало в представление об агроэкологических типах земель [3, 5]. Но если раньше при обособлении типов земель возникали проблемы объективности совмещения карт топографии, почвенного покрова и др., то интегрированное использование геоинформационных систем (ГИС), данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) и цифровых моделей рельефа (ЦМР) позволяет объективизировать и сделать проверяемыми результаты агроэкологической типизации земель [6, 7, 8].
Традиционно оценку технологических свойств земель проводят в системе Государственного кадастра, но она практически не интегрирована с сельскохозяйственным производством. В то же время агроэкологическая, технологическая и экономическая классификация сельскохозяйственных угодий представляет собой единый процесс оценки земель. Единство процесса вытекает из того, что в основе этих оценок лежат одни и те же факторы эффективности - качество (плодородие) почв, технологические свойства и местоположение. Единство этих природных и территориальных факторов создает общность технологии оценки и обусловливает возможность и необходимость создания и использования единой исходной базы данных характеристик земельных участков. В связи с этим, представляется целесообразным для практических целей интегрировать в единую систему агроэкологическую и технологическую оценки земель.
Цель исследований - разработка интегрированной системы автоматизированной оценки земель сельскохозяйственного назначения с использованием методов дистанционного зондирования и геоинформационного моделирования.
Условия, материалы и методы. Исследования проведены в центрально-лесостепном Приобском агроландшафтном районе на территории ЗАО «Мирный» Коченевского района Новосибирской области (54°56'24" с.ш., 82°06'12" в.д.), расположенного в 100 км от г. Новосибирска. На территории землепользования хозяйства обследовано два ключевых участка общей площадью 1639 га, различающихся по рельефу и почвенному покрову. В работе использовали картографические материалы ранних лет издания, включающие почвенную (1984 г., М 1:25000) и топографическую (2001 г., М 1:50000) карты.
Рис. 1. Цифровая почвенная карта первого ключевого участка.
Данные дистанционного зондирования Земли включали космические снимки Landsat-8, Sentinel-2 [9] и глобальную цифровую модель высот ALOSDSM [10]. ДДЗЗ использовали для предварительного картографирования рабочих участков землепользования и рекогносцировки местности для выполнения аэрофотосъемочных работ. Для создания ортофотоплана территории использовали беспилотный летательный аппарат самолетного типа Supercam 250 F. Кроме того, с помощью аэрофотосъемки были уточнены параметры рельефа и создана его цифровая модель М 1:1000. Почвенный покров уточняли путем полевых обследований, для расчетов агроклиматических ресурсов территории использовали базу данных по климату Новосибирской области [11]. Контрастность почвенного покрова (КК) рассчитывали по методике [12], расчлененность почвенных контуров (КР) - по [13]. Расчет почвенно-экологического индекса (ПЭИ) выполнен по методике, предложенной в [14, 15]. Для характеристики типов земель использовали показатели вертикального и горизонтального расчленения, а также угол наклона рельефа. Автоматизированная агроэкологическая оценка и типизация земель осуществлялась с помощью разработанной программы AGROTYPES на языке C#.
Показатели технологических свойств рабочих участков типов земель включали: угол наклона, градус; контурность, балл; энергоемкость,балл; расстояние от участка до внутрихозяйственного центра, км; коэффициент дорожных условий. Технологические свойства рабочих участков автоматизировано рассчитывали, используя авторскую методику [16, 17]. Результирующим показателем оценки выступал индекс технологических свойств (Ж).
Результаты и обсуждение. Прежде чем приступить
к оценке и типизации земель необходимо было актуализировать картографическую основу землепользования хозяйства. Почвенная карта 1984 г. издания, как выяснилось, имела искажения. Почвенные контуры, лесополосы и дороги вследствие деформации картографического материала были значительно смещены. При этом смещения объектов на карте, в сравнении с положением на местности, достигали 250...300 м. Искажения в положении почвенныхконтуров на оцифрованной с бумажного носителя почвенной карте приводили к ошибкам расчетов площади почвенных контуров и рабочих участков.
Для исправления этих погрешностей разнообразные источники данных, полученных в процессе исследования территории, структурировали в базу геоданных и в ГИС (Агс01Б 10.6) была создана цифровая пространственная модель землепользования (ЦПМЗ). База геоданных ЦПМЗ содержит следующие наборы пространственных классов: административное деление, рельеф, гидрография, дорожная сеть, растительность, сельскохозяйственные угодья, элементарные почвенные ареалы, типы земель. Важная составляющая базы геоданных - ЦМР.
На основе результатов дешифрирования космических снимков, ортофотоплана и морфометрического анализа рельефа были сформированы скорректированные почвенные карты двух ключевых участков (рис. 1, 2).
В базе геоданных ЦПМЗ отражены также сведения о геометрическом и пространственном положении почв, их морфологические и физико-химические характеристики. Цифровая почвенная карта, в виде одного из тематических слоев ГИС, содержащая детальное описание почвенного покрова территории (М 1:1000), послужила основой для проведения агроэкологической типизации земель.
Рис. 2. Цифровая почвенная карта второго ключевогоучастка.
Таблица 1. Некоторые средневзвешенные показатели типов земель
Тип земель* Площадь, га ПЭИ Нормативная урожайность, т/га КР Угол наклона, град. КК
1 тип 561,61 54,8 2,54 2,71 1,56 4,61
2 тип 601,89 52,7 2,45 1,71 1,12 9,20
3 тип 475,32 20,7 0,97 2,80 2,55 30,12
*1 тип - слабоэрозионные земли с сочетаниями черноземов обыкновенных, лугово-черноземных и черноземно-луговых почв на плакорах и склонах 1...3"; 2 тип -слабоэрозионные земли с сочетаниями черноземов обыкновенных, лугово-черноземных и черноземно-луговых почв в комплексе с луговыми солодями и серыми лесными осолоделыми почвами на плакорах и склонах 1...2о; 3 тип - переувлажненные земли с сочетаниями луговых обыкновенных, солончаковатых и солончаковых почв, лугово-болотных и болотных почв и их комплексов с солонцами на плоских понижениях и в нижних частях склонов.
Земли первого агроэкологического типа расположены на плакорах и пологих склонах, абсолютные высоты при этом колеблются от 141,4 до 174,2 м, составляя в среднем 159,1 м. Вертикальное расчленение рельефа составляет 28 м, горизонтальное расчленение эрозионными формами -1,49 км/км2. Средний угол наклона рельефа равен 1,56о, наибольший - не превышает 3о (табл. 1, рис. 1). Почвенный покров в целом характеризуется как неконтрастный (КК 4,6). Наибольший ареал в этом агроэкологическом типе земель занимает чернозем обыкновенный среднемощный среднегумусный (Чо-2-2-т) - 361,74 га, что составляет 63,97 % от всей площади типа.
Следующая по площади почва - лугово-черноземная маломощная среднегумусная слабосмытая (Чл-1-2-т*) - 101,87 га (18,01 %). Почвенные контуры имеют преимущественно вытянутую форму с коэффициентом расчлененности границ от 1,85 до 3,82, что объясняется приуроченностью слабосмытых почв к ложбинам стока, четко выраженным в рельефе. ПЭИ изменяется от 27,4 до 65,9 балла, составляя в средневзвешенном значении 54,8 балла. Нормативная урожайность пшеницы колеблется от 1,25 до 3,03 т/га, в среднем по типу - 2,54 т/га.
Земли второго агроэкологического типа располагаются на менее возвышенных плоских и пологих склонах, среднее значение абсолютной высоты - 159,1 м. Вертикальное расчленение рельефа составляет 16 м, горизонтальное расчленение эрозионными формами - 0,26 км/ км2. Средний угол наклона рельефа равен 1,12о, наибольший - не превышает 2о. Территория менее расчленена (коэффициент расчлененности изменяется от 1,33 до 4,76), отличается более плоским рельефом, почвы характеризуются меньшей мощностью гумусовых горизонтов, а почвенный покров осложнен комплексами низкоплодородных луговых солодей. Почвенный покров более контрастный (КК 9,2), для почвенных контуров характерна неправильная форма и более сложная конфигурация, связанная с распространением березовых колков (см. табл. 1, рис. 2). Наибольший ареал в этом агроэкологическом типеземельзанимаетчерно-зем обыкновенный маломощный среднегумусный (Чо-1-2-т) - 230,23 га, что составляет 38,2 % от всей
площади типа. Следующая по занимаемой площади почва -лугово-черноземная маломощная среднегумусная (Чл-1-2-т) - 126,12 га (20,95 %). Почвенно-экологический индекс изменяется от 19,4 до 63,4 балла, составляя в средневзвешенном значении 52,7 балла. Нормативная урожайность пшеницы колеблется от 0,88 до 3,24 т/га, в среднем по типу - 2,45 т/га. Переувлажненные земли третьего агроэкологического типа приурочены к нижним частям склонов и пойме р. Шариха с абсолютными высотами от 131,78 до 146,52 м (при средней абсолютной высоте 140,30 м). Вертикальное расчленение рельефа составляет 6 м, горизонтальное расчленение эрозионными формами - 0,50 км/км2. Контрастность почвенного покрова высокая (КК 22,5), расчлененность границ почвенных контуров изменяется от1,54 до 5,14. Земли характеризуются низким значением почвенно-экологического индекса (12.29 баллов) и низкой продуктивностью. Средневзвешенная нормативная урожайность пшеницы составила 0,97 т/га. Эти земли не используют в пашне, они находятся под сенокосами и пастбищами, а также выполняют водоохранные функции.
На выделенных типах земель с использованием ортофотоплана территории создана карта рабочих участков землепользования и дана оценка их технологических свойств. Третий тип земель не используется в пашне, поэтому оценку его технологических свойств не проводили.
Для земельных участков первого типа земель характерна правильная прямоугольная форма с меньшим варьированием по площади. В то же время угол наклона рельефа изменяется почти в 7 раз - от 0,36 до 2,45 ° (табл. 2).
Поэтому на части рабочих участков проявляются процессы водной эрозии, что увеличивает их контурность из-за образования эродированных почв. Варьирование Таблица 2. Показатели оценки технологических свойств* земельных участков
Тип земель Номер участка Площадь, га Угол наклона, град. Кр Бк Бэп Pi Кд Иг
1 тип 1 18,79 0,36 1,00 91 109 1,8 1,00 1,98
2 24,16 0,72 1,00 90 106 3,7 1,00 1,95
3 72,98 0,83 1,00 96 107 2,8 1,00 1,85
4 65,09 1,13 1,00 95 108 3,1 1,13 1,88
5 62,86 2,45 1,02 94 108 3,9 1,13 1,90
6 11,71 1,45 1,02 76 108 1,7 1,13 2,38
7 42,82 1,75 1,02 89 106 3,8 1,13 1,99
Среднее значение 42,63 1,07 1,00 90 107 2,97 1,07 1,99
2 тип 12 8,28 0,85 1,00 68 104 2,9 1,00 2,56
13 34,49 0,50 1,00 82 104 1,0 1,00 2,14
14 2,92 0,45 1,00 72 110 2,6 1,55 2,51
15 19,48 0,87 1,00 89 109 1,2 1,55 2,04
16 24,85 0,74 1,00 82 104 3,5 1,55 2,12
17 35,29 0,42 1,00 91 117 2,1 1,55 2,08
18 26,50 0,32 1,00 89 113 3,2 1,55 2,06
19 108,60 0,46 1,00 90 117 4,1 1,55 2,07
23 0,81 1,18 1,02 58 104 3,4 1,75 3,02
24 4,43 1,45 1,00 59 104 3,5 1,75 2,95
25 2,72 1,26 1,00 60 104 3,9 1,55 2,89
26 79,49 1,34 1,00 62 114 3,3 1,55 2,97
Среднее значение 29,99 0,91 1,00 75 108 2,89 1,46 2,45
*Кр - коэффициент за угол наклона; Бк - балл контурности; Бэп - балл энергоемкости почв; Р1 - расстояние от участка до внутрихозяйственного центра, км; Кд - коэффициент дорожных условий; И - индекс технологических свойств земельного участка.
балла энергоемкости почв незначительное. Среднее Выводы. Современные методы накопления и об-
расстояние от рабочих участков до хозяйственного работки земельной информации с использованием
центра для земель этого типа выше, чем для второго, но дистанционного зондирования и геоинформационного
дороги существенно лучше (Кд на 27 % ниже). моделирования позволяют интегрировать в единую
Рабочие участки второго типа земель отличаются не- систему агроэкологическую и технологическую оценки
правильной формой и более сложной конфигурацией, ха- земель сельскохозяйственного назначения. Разрабо-
рактеризующейся большим варьированием по площади. танная система предусматривает последовательное
Здесь более контрастный почвенный покров, поэтому диа- выполнение следующих этапов: спутниковые измерения
пазон изменения балла энергоёмкости почв шире. Земли для определения координатного положения опорных
второго типа пересекают грунтовые проселочные дороги, пунктов и аэрофотосъемка местности; создание ЦПМЗ с
в этой связи среднее значение коэффициента дорожных использованием ГИС и ДДЗЗ; агроэкологическая оценка
условий для него больше, чем для первого типа земель. земель по однородности условий для возделывания сель-
Индекс технологических свойств второго типа скохозяйственных культур с учетом рельефа и почвен-
земель на 23 % выше, чем первого. Следовательно, ного покрова; выделение и картографирование типов
первый тип земель более благоприятен для расте- земель, семантическое описание, создание баз данных
ниеводства, в сравнении со вторым, и характеризуется нормативных признаков с использованием ЦПМЗ; оценка
меньшими технологическими издержками. технологических свойств типизированных земель.
Литература.
1. Раевич К. В., Зеньков И. В., Маглинец Ю. А. Управление использованием продуктивных земель агропромышленного комплекса Красноярского края на основе показателей агроэкономического потенциала //Вестник ИрГТУ. 2016. № 3 (110). С. 57-66.
2. Раевич К. В., Зеньков И. В. Интеллектуальная система поддержки принятия управленческих решений в задачах оценки земель сельскохозяйственного назначения //Вестник ИрГТУ. 2016. № 5 (112). С. 95-104.
3. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий. Метод. рук-во. М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 784 с.
4. Зворыкин К. В. Сельскохозяйственная типология земель для кадастровых целей // Вопросы географии. 1965. 67 с.
5. Кирюшин В. И. Оценка качества земель и плодородия почв для формирования систем земледелия и агротехнологий // Почвоведение. 2007. № 7. С. 873-880.
6. Akinci H., Ozalp A. Y., Turgut B. Agricultural land use suitability analysis using GIS and AHP technique // Computers and electronics in agriculture. 2013. V. 97. Pp. 71-82. DOI: 10.1016/j.compag.2013.07.006.
7. Zolekar R. B., Bhagat V. S. Multi-criteria land suitability analysis for agriculture in hilly zone: Remote sensing and GIS approach // Computers and Electronics in Agriculture. 2015. V. 118. Pp. 300-321. D0I:10.1016/j.compag.2015.09.016.
8. Butt A., Shabbir R., Ahmad S. S., Aziz N. Land use change mapping and analysis using Remote Sensing and GIS: A case study of Simly watershed, Islamabad, Pakistan // The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science. 2015. V. 18. № 2. Pp. 251-259. DOI: 10.1016/j.ejrs.2015.07.003.
9. Sentinel-2. The operational Copernicus optical high resolution land mission. URL: http://esamultimedia.esa.int/docs/s2-data_sheet.pdf (дата обращения 15.04.2018).
10. ALOS Global Digital Surface Model «ALOS World 3D - 30 m (AW3D30)». URL: https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/ index.htm(дата обращения 27.05.2018).
11. Павлова А. И., Каличкин В. К. Базы данных для агроэкологической оценки земель // Сиб. вестн. с.-х. науки. 2018. № 1. Т. 48. С. 80-88.
12. Юодис Ю. К. О структуре почвенного покрова Литовской ССР//Почвоведение. 1967. № 11. С. 50-56.
13. Фридланд В. М. Структура почвенного покрова. М.: Мысль, 1972. 423 с.
14. Карманов И. И. Методика и технология почвенно-экологической оценки и бонитировки почв для сельскохозяйственных культур. М.: ВАСХНИЛ, 1990. 114 с.
15. Применение и верификация почвенно-экологического индекса при оценке структуры почвенного покрова пахотных угодий/ Д. С. Булгаков, Н. П. Сорокина, И. И. Карманов и др. // Почвоведение. 2013. № 11. С. 1367-1376.
16. Каличкин В. К., Павлова А. И. Автоматизированная оценка продуктивности земель //Достижения науки и техники АПК. 2009. № 12. С. 7-9.
17. Каличкин В. К., Павлова А. И. Агрономические геоинформационные системы. Новосибирск: СФНЦА РАН, 2018. 347 с.
Iintegrative Assessment оf Agro-Environmental and Technological Properties of Land
V. К. Kalichkin1, A. I. Pavlova12, V. N. Shoba1, A. V. Kalichkin1
Siberian Federal Research Center of Agrobiotechnology of the RAS, pos. Krasnoobsk, Novosibirskii r-n, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation
2Novosibirsk State University of Economics and Management, ul.Kamenskaya, 52, Novosibirsk, 630099, Russian Federation Abstract. This research was aimed at developing an integrated system of automated assessment of agricultural land using remote sensing and geoinformation modelling methods. The proposed system consists of the following consecutive stages: aerial photography with an unmanned aerial vehicle and orthophotomap generation of the territory scaled 1: 1000 with a relief section height of 0.5 m; creation of a digital spatial model of land use; adjustment of the existing soil map; agro-ecological land typing and creation of a land type map; technological assessment of working areas in the distinguished land types. The system has been implemented on the example of land use in the CJSC "Mirny" (Kochenevsky District, Novosibirsk Oblast). Here, the following agro-ecological types of land were identified: 1) slightly erosive lands featuring modal chernozemic soil, meadow chernozem and chernozemic meadow soils on uplands and slopes of1 ... 3o; 2) slightly erosive lands featuring modal chernozemic soil, meadow chernozem and chernozemic meadow soils in combination with meadow solod and gray forest solodised soils on uplands and slopes of 1 ... 2o; 3) wetlands featuring modal meadow, slightly saline and saline soils and their complexes with alkali soils on flat depressions and in the lower parts of the slopes. Land plots of the first type are characterized by a simple configuration (close in shape to a rectangular one), the weighted average value of the technological property index of 1.99 and the normative wheat yield of 2.54 t/ha. Land plots of the second type are characterized by a complex configuration and increased complexity of the soil cover, the weighted average value of the technological property index of 2.45 and the normative wheat yield of 2.45 t/ha. According to the averaged index of technological properties of the working plots, the first type of lands is demonstrated to be more favourable for agricultural use in comparison with the second type, involving lower technological costs. Keywords: agro-ecological types of land, technological properties, assessment, geographic information system (GIS), Earth Remote Sensing Data (ERSD).
Author Details: V. К. Kalichkin, D. Sc. (Agr.), chief research fellow (e-mail: [email protected]); A. I. Pavlova, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow, assoc. prof.; V. N. Shoba, D. Sc. (Biol.), chief research fellow; A. V. Kalichkin, researcher fellow.
For citation: Kalichkin V. К., Pavlova A. I., Shoba V. N., Kalichkin A. V. Integrative Assessment of Agro-Environmental and Technological Properties of Land. Dostizheniya naukii tekhniki APK. 2019. Vol. 33. No. 3. Pp. 11-14 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10302.
