CC BY
109
УДК 631.4
ОБ ОПТИМАЛЬНОМ СРОКЕ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПАХОТНЫХ ПОЧВ
© 2014 г. И. Ю. Савин, Е.Ю. Прудникова
Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 e-mail: savigory@gmail. com
Состояние открытой поверхности пахотных почв сильно варьирует во времени и зависит от вещественного состава верхнего горизонта почв, метеорологических условий, специфике и давности ее обработки. Изменение поверхности пахотных почв оказывает значительное влияние на особенности их отображения на данных дистанционного зондирования. Для максимального извлечения информации о неоднородностях почвенного покрова спутниковая съемка должна быть проведена перед первой обработкой поверхности пахотных почв весной.
Ключевые слова: дешифрирование почв, дешифровочные признаки, пахотные почвы.
Дешифрирование почв по данным космической съемки базируется на использовании дешифровочных признаков, большой вклад в разработку которых внесен В.Л. Андрониковым и другими авторами во второй половине ХХ в. (Андроников, 1958; Афанасьева, 1965; Толчельников, 1966). Дешифровочные признаки и эталоны дешифрирования почв разрабатывались первоначально для использования аэрофотоснимков (Андроников, 1958; Симакова, 1984). При этом эталоны дешифрирования привязывались к определенному оптимальному сезону съемки. Подобные оптимальные сезоны были установлены для различных природных зон страны (Афанасьева, 1965). Позднее эти закономерности были перенесены на использование космических снимков (Симакова, Савин, 1998; Савин, Симакова, 2012). Появление и широкое распространение в последние десятилетия новых видов космической съемки (многоканальной, гиперспектральной, радарной и др.) в корне по-
меняли значимость установленных ранее дешифровочных признаков, которые были привязаны к специфике изображения земной поверхности в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн. Но проблема установления оптимального времени получения данных космической съемки еще не утеряла своей актуальности.
Определение оптимального сезона съемки при дешифрировании почв по характеру изображения растительного покрова базируется на знаниях индикационной геоботаники и специфики фенологического развития растений-индикаторов почвенных свойств в том или ином регионе (Викторов, Ремезова, 1988).
При дешифрировании неоднородностей почвенного покрова пахотных почв указывается на необходимость осуществления съемки в период, когда поверхность почв открыта для непосредственного наблюдения. Но открытая поверхность пахотных почв динамична во времени (Savin, 1993; Савин, 1995). Поэтому изображение открытой поверхности пахотных почв на спутниковых данных так же сильно изменчиво (Савин, 2013).
В связи с этим возникает необходимость более точного определения оптимального срока спутниковой съемки открытой поверхности пахотных почв с целью картографирования их неод-нородностей.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Специфику открытой поверхности пахотных почв анализировали на трех тестовых участках, расположенных в Тульской области и на почвах плодопитомника Тимирязевской сельскохозяйственной академии в Москве.
Первый участок в Тульской области расположен на черноземах оподзоленных среднемощных среднегумусных тяжелосуглинистых на лёссовидных суглинках. Мощность пахотного горизонта составляет около 30 см. Второй участок в Тульской области расположен на темно-серых лесных среднесуглинистых пахотных почвах с мощностью пахотного горизонта около 24 см. Почва на участке в плодопитомнике Тимирязевской сельскохозяйственной академии в Москве дерново-подзолистая неглубокоподзолистая глубокопахотная глееватая среднесуглинистая на покровном су-
глинке. Она хорошо окультурена, мощность пахотного горизонта 30 см.
Для анализа состояния поверхности пахотных почв ее фотографировали в надир. Далее проводили компьютерный анализ полученных фотографий с использованием пакета прикладных программ ILWIS.
Параллельно вели полевое определение спектральной отражательной способности поверхности почв с использованием полевого спектрорадиометра HandHeld 2 (ADS), который позволяет определять спектральную отражательную способность в диапазоне от 320 до 1050 нм.
Наблюдения проводили до выпадения дождей, после их выпадения и подсыхания поверхности почв, а также весной, после схода снежного покрова и подсыхания поверхности почв.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Полевые наблюдения за состоянием открытой поверхности пахотных почв выявили ее значительную динамичность во времени. Основным периодом, когда поверхность почв открыта для непосредственного наблюдения, является период после уборки урожая осенью и послеуборочной вспашки почвы и до появления растительности весной (всходов посевов яровых культур или сорняков). Этот период в большинстве регионов России прерывается установлением снежного покрова зимой, когда поверхность почвы закрыта снегом. В течение всего этого периода изменения вспаханной поверхности происходят под воздействием атмосферных явлений: в большей степени атмосферных осадков и в меньшей степени ветра. Существенные изменения имеют место после схода снежного покрова под воздействием талых снеговых вод. Как правило, механические обработки почвы в этот период в производственном цикле возделывания культур не планируются и не проводятся, в том числе и из-за высокой влажности верхних горизонтов почв.
Ударное воздействие на открытую поверхность почвы капель дождя приводит к ее сглаживанию, к уменьшению степени шероховатости поверхности. Чем больше выпадает в этот осеннее-весенний период дождей, тем больше поверхность пахотных почв сглаживается. Сглаживание происходит путем разрушения капля-
ми почвенных агрегатов, образующих поверхность. И, соответственно, степень сглаженности зависит не только от количества дождей, их продолжительности и интенсивности, но и от свойств поверхностного слоя почвы: его податливости к ударному воздействию капель, водопрочности поверхностных элементов почвенной структуры.
Полевые наблюдения показывают, что при воздействии дождя на поверхностные почвенные агрегаты они частично или полностью разрушаются. При этом высвобождающаяся тонкодисперсная часть почвы частично уносится поверхностными водными потоками, а частично вмывается в нижележащий слой, запечатывая поверхность. Более тяжелые водопрочные агрегаты почвы, а также включения и крупные отмытые минералы остаются на поверхности почвы, так как в большинстве случаев формирующиеся во время дождя водные потоки на квазировной поверхности почв их не в состоянии транспортировать. На выраженных склонах эти элементы разрушенной почвенной структуры также могут переноситься вниз по склону.
После окончания дождя под воздействием ветра и солнца поверхность почв подсыхает и в зависимости от вещественного состава почвы в различной степени растрескивается. В результате после подсыхания образуется поверхность, сложенная тонкодисперсной фракцией с трещинами, на которой лежат водопрочные агрегаты, включения и/или крупные отмытые песчаные зерна. Чем больше выпадает дождей с момента последней осенней обработки почвы, тем в большей степени выражены все упомянутые выше структурные отдельности этой поверхности (рис. 1). Таким образом, перед установлением снежного покрова зимой подобная дезагрегация поверхности почв достигает своей максимальной выраженности. При этом необходимо отметить, что в большинстве случаев при переходе от последней осенней обработки почвы до установления снежного покрова увеличивается количество осадков, повышается влажность воздуха и уменьшается количество солнечных дней, что ведет к возрастанию влажности поверхностных горизонтов почвы, и во влажном состоянии поверхность почвы не растрескивается.
Рис. 1. Трансформация открытой поверхности пахотных почв после выпадения дождя (А - свежевспаханная поверхность черноземной почвы, Б - та же поверхность, но после воздействия дождя).
После схода снежного покрова весной талые воды существенно преобразуют открытую поверхность почвы. На квазировной поверхности процессы разрушения поверхностных почвенных агрегатов усиливаются, и дезагрегация поверхности становится более выраженной при подсыханиие, чем до зимы. При выраженности склонов микро- и мезорельефа на поверхности образуются водные потоки, по которым прослеживается вынос продуктов разрушения поверхностных почвенных агрегатов и их аккумуляция в нижних частях склонов или же на границе пахотного поля (рис. 2).
После схода снежного покрова и до первой обработки почвы на открытой поверхности почв имеют место процессы дезагрегации, описанные для осеннего периода. Отличие заключается в том, что после схода снежного покрова с каждым днем появляется все больше солнечных дней и поверхность почв все больше подсыхает. В результате максимальной степени выраженности процессы трансформации открытой поверхности почв (образование корки, растрескивание и накопления на поверхности "присыпки" из водопрочных агрегатов и отмытых зерен песка) достигают перед первым выходом на поля техники и первой обработкой почвы весной.
А
Б
Рис. 2. Перераспределение по поверхности водопрочных агрегатов на слабовыраженных склонах с черноземными почвами.
Таким образом, открытая поверхность почвы вод воздействием атмосферных осадков дезагрегируется на три основных структурных элемента: "корку", "присыпку" и "трещины". Степень выраженности этих структурных элементов зависит от свойств почвы и ее вещественного состава. Выраженность корки и трещин сильно зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса и минералогического состава почвы, которые предопределяют и цветовые характеристики корки. Характер присыпки также предопределяется вещественным составом верхнего горизонта почвы. При ее опесчаненности или при легком гранулометрическом составе в качестве присыпки на поверхности преимущественно аккумулируются отмытые крупные песчаные зерна. В дерново-подзолистых почвах в качестве присыпки вместе с зернами песка часто аккумулируются слаборазложившиеся растительные остатки. На темно -серых лесных почвах на поверхности почвы также накапливаются отмытые песчаные зерна, в небольшом количестве и слаборазложи-
Рис. 3. Примеры трансформированной открытой поверхности пахотных почв.
вшиеся растительные остатки и мелкие водопрочные гумусные агрегаты, но не везде. На черноземных почвах преобладает аккумуляция водопрочных гумусных агрегатов (рис. 3).
Описанные выше процессы трансформации открытой поверхности почв приводят к тому, что вместе с ними происходит изменение отражательной способности поверхности. На рис. 4 приведены примеры кривых спектральной отражательной способности поверхности почв до и после трансформации. Кроме того, что четко прослеживается общее изменение отраженной энергии в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн, наблюдаются изменения в отражении света на отдельных длинах волн, т.е. изменяется спектральный состав отраженного света. Подобные изменения приводят к тому, что изображение открытой поверхности почв на космических снимках до и после ее трансформации будет разным (рис. 5). При этом трансформированная поверхность теоретически должна быть более информативной для дешифрирования отдельных свойств почв, чем нетрансформированная. Это хорошо видно из рис. 5, где пространственные неоднородности тона трансформированной поверхности почв выражены в гораздо большей степени, чем свежевспаханной.
Следовательно, съемка открытой поверхности с целью дешифрирования свойств почв будет наиболее информативна при максимальной трансформированности поверхности почв. Причем наиболее информативна в этом случае будет многоканальная или гиперспектральная съемка.
При этом необходимо иметь ввиду, что в периоды максимальной трансформации открытой поверхности почв (поздняя осень и поздняя весна) возрастает вероятность влияния на характер дистанционного изображения сорной растительности, которая начинает вегетировать на полях при длительном отсутствии обработки сельскохозяйственной техникой.
ВЫВОДЫ
Основываясь на проведенных полевых наблюдениях можно сделать следующие выводы.
1. Открытая поверхность пахотных почв значительно изменяется во времени под воздействием выпадающих атмосферных
Рис. 4. Примеры изменения отражения света открытой поверхностью почв (А - дерново-подзолистой; Б - темно-серой лесной; В - чернозема оподзоленного) до (1) и после (2) ее трансформации (соответственно, сплошная и пунктирная линии).
Рис. 5. Читаемость неоднородностей почвенного покрова по открытой поверхности почв, изображенной на космическом снимке высокого разрешения весеннего срока съемки: А - свежевспаханная поверхность, Б -трансформированная поверхность.
осадков, ветра и талых снеговых вод. Со временем на поверхности образуется в той или иной степени выраженная корка, которая разбивается трещинами, а на поверхности корки накапливаются водопрочные агрегаты, устойчивые к ударному воздействию капель дождя. Степень выраженности и цвет вышеупомянутых
структурных отдельностей поверхности почв предопределяется ее свойствами и вещественным составом.
2. Изображение трансформированной открытой поверхности почв более информативно для дешифрирования ее свойств, чем изображение нетрансформированной поверхности. При трансформации поверхности изменяется не только общее количество отраженного этой поверхностью солнечного света, но и его спектральный состав.
3. Максимальной трансформации открытая поверхность пахотных почв достигает поздней осенью, перед установлением снежного покрова, а также весной, перед первой обработкой поверхности сельскохозяйственной техникой. Именно эти сроки являются предпочтительными для дистанционной съемки открытой поверхности пахотных почв с целью дешифрирования отдельных свойств почв. Оптимальным является весенний срок съемки в связи с лучшими погодными условиями и большей выраженности трансформированности поверхности из-за более длительного периода ее формирования и более быстрого подсыхания.
4. Выявленные особенности динамичности изображения открытой поверхности почв должны приниматься во внимание при использовании данных дистанционного зондирования для организации мониторинга почвенного покрова и картографирования отдельных свойств почв, особенно при использовании многоканальных и гиперспектральных изображений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андроников В.Л. Методика дешифрирования почвенного покрова территории лесостепи по аэрофотоматериалам. Автореф. дис. ... к. геол.-мин. н. М., 1958. 17 с.
2. Афанасьева Т.В. Использование аэрометодов при картировании почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1965. 158 с.
3. Викторов С.В., Ремезова Г.Л. Индикационная геоботаника. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. 168 с.
4. Савин И.Ю. Влияние ливневого дождя на интегральную отражательную способность поверхности черноземных почв // Почвоведение. 1995. № 8. С. 976-980.
5. Савин И.Ю. О тоне изображения открытой поверхности почв как прямом дешифровочном признаке // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2013. №71. С. 52-64.
6. Савин И.Ю., Симакова М.С. Спутниковые технологии для инвентаризации и мониторинга почв в России // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 5. С. 104115.
7. Симакова М.С. Картографирование почвенного покрова с использованием материалов аэро- и космической фотосъемки. Автореф. дис. ... д. с.-х. н. М., 1984. 43 с.
8. Симакова М.С., Савин И.Ю. Использование материалов аэро- и космической съемки в картографировании почв (пути развития, состояние, задачи) // Почвоведение. 1998. № 11. С. 1339-1347.
9. Толчельников Ю.С. Дешифрирование по аэроснимкам почв Северного Казахстана. М.-Л.: Наука, 1966. 184 с.
10. Savin I. Formation of reflectance properties of the surface of tilled chernozem soil // Proceedings of SPIE. 1993. V. 2107. Р. 304-313.
ABOUT OPTIMAL DATES OF SATELLITE IMAGES ACQUISITION FOR ARABLE SOIL MAPPING
I. Yu. Savin, E. Yu. Prudnikova
V. V. Dokuchaev Soil Science Institute of Russian Academy ofAgricultural Sciences, 119017, Moscow, Pyzhevskii, 7 e-mail: savigory@gmail. com
The state of the exposed surface of arable soils strongly varies in time and depends on properties of the upper soil horizon, meteorological conditions, and specific character of its usage. A change of the arable soil surface has a significant effect on their image on remote sensing data. For the maximum extraction of information about the spatial heterogeneities of soil properties satellite survey must be carried out before the first treatment of the surface of arable soils in spring.
Key words: soil recognition on satellite images, soil recognition signs, arable soils, open soil surface.
