CC BY
15
Агеев Анатолий Александрович, кандидат сельскохозяйственных наук, заместитель директора по научной работе, ведущий научный сотрудник лаборатории агроландшафтного земледелия, ФГБНУ «Челябинский НИИСХ», 456404, Челябинская область, Чебаркульский район, п. Тимирязевский, ул. Чайковского, 14. Тел. 89049726881, E-mail: ageev.аа62@mail.ru
Анисимов Юрий Борисович, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией агроландшафтного земледелия, ФГБНУ «Челябинский НИИСХ», 456404, Челябинская область, Чебаркульский район, п. Тимирязевский, ул. Чайковского, 14. Тел. 89193122329, E-mail: anisimov.1964@bk.ru
Вражнов Александр Васильевич, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник лаборатории агроландшафтного земледелия, ФГБНУ «Челябинский НИИСХ», 456404, Челябинская область, Чебаркульский район, п. Тимирязевский, ул. Чайковского, 14. Тел. 89823134064, E-mail: chniish2@mail.ru
Калюжина Елена Леонидовна, научный сотрудник лаборатории агроландшафтного земледелия, ФГБНУ «Челябинский НИИСХ», 456404, Челябинская область, Чебаркульский район, п. Тимирязевский, ул. Чайковского, 14. Тел. 83516871744, E-mail:chniish2@mail.ru
Ageev Anatoly Alexandrovich, Cand. Sci. (Agriculture), Deputy Director for Science, Leading Researcher of the Agrolandscape Agriculture Laboratory, Chelyabinsk Research Institute of Agriculture. 456404, 14 Chaikovskiy street, Timiryazevskiy village, Chebarkulskiy district, Chelyabinsk region, Tel. 89049726881, E-mail: ageev.аа62@mail.ru
Anisimov Yuri Borisovich. Cand. Sci. (Agriculture), Head of the Agrolandscape Agriculture Laboratory, Chelyabinsk Research Institute of Agriculture. 456404, 14 Chaikovskiy street, Timiryazevskiy village, Chebarkulskiy district, Chelyabinsk region, Tel. 89193122329, E-mail: anisi-mov.1964@bk.ru
Vrazhnov Alexander Vasilyevich. Doktor of Agriculture, Corresponding Member of RAS, Chelyabinsk Research Institute of Agriculture. 456404, 14 Chaikovskiy street, Timiryazevskiy village, Chebarkulskiy district, Chelyabinsk region, Tel. 89823134064, E-mail: chniish2@mail.ru
Kalyuzhina Elena Leonidovna, Researcher, Laboratory of Agrolandscape Agriculture, Chelyabinsk Research Institute of Agriculture. 456404, 14 Chaikovskiy street, Timiryazevskiy village, Chebarkulskiy district, Chelyabinsk region, 14. Tel. 89514736003, E-mail: chniish2@mail.ru
DOI: 10.25930/0372-3054/003.5.12.2019 УДК: 528.88:004.942
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ДЛЯ ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЛЬЕФА АГРОЛАНДШАФТОВ
С.А. Антонов
Ставропольский край является одним из ведущих аграрных регионов России. Высокая интенсификация сельскохозяйственного производства на фоне изменения климата приводит к деградации земель сельскохозяйственного назначения. Используемая в Ставропольском крае система земледелия имеет объективные недостатки, которые необходимо корректировать в рамках перехода к адаптивно-ландшафтным системам земледелия, для разработки которых необходимо провести агроэкологическую типизацию земель агроландшафтов. В данной статье представлено научное обоснование выбора стереоскопической оптической и интерферометрической радиолокационной космической съемки, а также геоинформационных технологий для цифрового моделирования рельефа агроландшафтов. Современные цифровые модели рельефа (World DEM, NextMap World 10, ALOS AW3D, SRTM и ASTER) имеют различные характери-
стики, сравнение которых позволит выбрать наиболее подходящую из них для моделирования рельефа агроландшафтов. Наиболее оптимальными из представленных моделей являются ASTER и SRTM, которые распространяются под свободной лицензией. Так, например, расчет среднего уклона пашни Труновского района по модели ASTER составил 7,48°, а по модели SRTM - 0,68°. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой достоверности модели рельефа, полученной по данным модели SRTM, несмотря на ее среднее пространственное разрешение (90 м). Установлено, что экспозиция склона не является показательной для характеристики точности модели. Цифровые модели рельефа, обладающие высоким пространственным разрешением, возможно использовать для характеристики рельефа агроландшафтов с учетом пространственного положения полезащитных лесных полос, поскольку они идентифицируются как локальные возвышения и должны быть устранены путем использования поправочных коэффициентов.
Ключевые слова: цифровая модель рельефа, агроландшафт, система земледелия, уклон местности, SRTM, ASTER
THE RATIONALE FOR THE SELECTION OF EARTH REMOTE SENSING DATA FOR DIGITAL RELIEF MODELING OF THE AGROLANDSCAPES
S.A. Antonov
Stavropol Territory is one of the leading agrarian regions of Russia. The high intensification of agricultural production against the background of the climate change leads to agricultural lands degradation. The farming system used in the Stavropol Territory has objective shortcomings that need to be corrected as part of the transition to adaptive landscape farming systems, for the developing of which it is necessary to carry out agroecological typification of the agrolandscapes. This article presents the scientific rationale for the choice of stereoscopic optical and interferometric radar satellite survey, as well as geographic information technologies for digital modeling relief of the agrolandscapes. Modern digital relief models (World DEM, NextMap World 10, ALOS AW3D, SRTM and ASTER) have different characteristics, a comparison of which will allow you to choose the most suitable one for modeling the relief of agrolandscapes. The most optimal of the presented models are ASTER and SRTM, which are distributed under a free license. So, for a example, the calculation of the arable land average slope in the Trynovsky district according to the ASTER model was 7,48 °, and according to the SRTM model it was 0,68 The results obtained indicate a higher reliability of the relief model obtained according to the SRTM model, despite its average spatial resolution (90 m). It was found that the exposure of the slope is not indicative for estimate of the model accuracy. Digital terrain models with high spatial resolution can be used to characterize the relief of agrolandscapes taking into account the spatial position of the forest shelterbelts, since they are identified as local elevations and must be eliminated by using correction factors.
Key words: digital relief model, agrolandscape, farming system, slope, SRTM, ASTER
Введение. Современная демографическая ситуация в мире создает необходимость обеспечения продовольственной безопасности. Важную роль в вопросе обеспечения продовольственной безопасности играют сельскохозяйственные регионы. Однако интенсификация сельскохозяйственного производства и современные тенденции изменения климата приводят к значительной деградации земельных ресурсов.
В Ставропольском крае преобладают земли сельскохозяйственного назначения
(91% территории), из них 88% территории занимают сельскохозяйственные угодья, которые характеризуются высокой степенью распаханности (69%), что ограничивает возможность использования новых земель в производстве. Почвенно-климатические условия на территории Ставропольского края разнообразны и меняются с востока на запад от крайне засушливых до достаточно влажных в районе предгорий Северного Кавказа.
На территории края выделяются 2 основных типа почв: каштановые - 3,5 млн га и черноземные - 3,1 млн га [1, 2].
Активное развитие современных геоинформационных технологий и дистанционного зондирования Земли позволяет разрабатывать научно обоснованные подходы для перехода к адаптивно-ландшафтным системам земледелия, которые основаны на агроэкологической типизации земель. В основу проведения типизации земель должны быть положены методы математического моделирования с наложением пространственных данных [3].
Основным источником высотных координированных данных являются топографические карты, полевые данные и материалы космической съемки. Каждый из указанных источников имеет свои особенности, накладывающие определенные ограничения на их получение и использование. Наиболее универсальным и достоверным источником данных о рельефе местности являются материалы космической съемки, полученные с различных спутников.
Материал и методы исследования. Объектом исследования является рельеф Труновского района Ставропольского края. Предметом исследования являются морфо-метрические характеристики рельефа Труновского района. Основными источниками данных о рельефе являются стереоскопическая оптическая и интерферометрическая радиолокационная космическая съемки. Сравнение проводилось на основе цифровых моделей рельефа: World DEM, NextMap World 10, ALOS AW3D, SRTM и ASTER [4, 5, 6].
Основными методами исследования являются методы дистанционного зондирования Земли (дешифрирование, геометрическая и радиометрическая коррекции, моделирование) и методы ГИС-технологий (оверлей (наложение), создание мозаик, морфо-метрический анализ (расчет уклона и экспозиции склона), зональная статистика).
Результаты исследований и их обсуждение. Для получения информации о рельефе нами были рассмотрены наиболее распространенные цифровые модели рельефа (ЦМР), характеристики которых представлены в таблице 1. Каждая из представленных моделей рельефа имеет свои особенности: способ распространения, площадь покрытия, пространственное разрешение, точность и другие.
Таблица 1 - Цифровые модели рельефа, полученные на основе данных дистанционного _зондирования Земли_
Название Распространение Покрытие Размер ячейки
World DEM Коммерческая основа Весь земной шар 12х12 м.
NextMap World 10 Коммерческая основа Весь земной шар 10x10 м.
ALOS AW3D Коммерческая основа Весь земной шар 5х5 м (2,5х2,5 м)
SRTM Свободный доступ 60°с.ш. - 56°ю.ш. 90х90м.
ASTER Свободный доступ 83°с.ш. - 83°ю.ш. 30х30м.
Из представленных в таблице ЦМР наилучшей точностью и наибольшим охватом территории обладает модель ALOS AW3D. Данная модель позволяет получать детальную характеристику особенностей рельефа территории. Главным недостатком этой модели и моделей WORLD DEM, NextMap World 10 является распространение их на коммерческой основе. Так, например, стоимость цифровой модели рельефа ALOS AW3D на территории Труновского района будет превышать 1 млн рублей (в ценах 2019 г.). В связи с этим в дальнейшей работе мы проводили сравнение ЦМР SRTM и ASTER как наиболее доступных и обладающих достаточной точностью для решения задач аг-роэкологической типизации земель агроландшафтов.
Цифровые модели рельефа SRTM и ASTER представляют собой непрерывные растровые поверхности высотных отметок. Особенностями территории Труновского района Ставропольского края являются: относительно небольшой перепад высот, наличие характерных оврагов и высокая сельскохозяйственная освоенность (77% территории занимает пашня), наличие каркаса из полезащитных лесных полос, предназначенного для защиты от ветровой эрозии (рис. 1, рис. 2).
При помощи методов ГИС-технологий были созданы карты уклонов местности и экспозиции склонов на базе ЦМР SRTM и ASTER. Уклоны местности были ранжированы по определенным интервалам, которые представляют собой основу при проведении агроэкологической типизации земель.
В результате статистической обработки пространственных данных уклона местности были получены результаты, которые значительно различаются по данным анализируемых ЦМР (табл. 1).
Рисунок 1. Цифровая модель рельефа SRTM.
Рисунок 2. Цифровая модель рельефа ASTER.
Таблица 2 - Соотношение площади территории Труновского района с различными _уклонами по данным ЦМР SRTM и ASTER_
Уклон местности ЦМР SRTM ЦМР ASTER
<1° 84 3
1°-3° 14 15
3°-5° 1 21
5°-7° 1 18
>7° 0 43
По данным модели SRTM, средний уклон местности Труновского района составляет 0,68°, тогда как по модели ASTER он гораздо больше - 7,48°. Объективность и достоверность данных, полученных по ЦМР ASTER, вызывает сомнение, поскольку такой значительный уклон местности делает ее малопригодной для возделывания продукции растениеводства с высокой вероятностью развития водной эрозии. Однако, по данным дистанционного мониторинга, пашня Труновского района характеризуется слабым проявлением водной эрозии, суммарная протяженность эрозионных размывов составляет 450 км, при интенсивности 9,7 м/га, что является одним из самых низких показателей в Ставропольском крае [7].
Соотношение площадей по выбранным интервалам уклонов подтверждает высокую достоверность данных, полученных на основе ЦМР SRTM. Согласно данным SRTM, в Труновском районе преобладают земли с уклоном менее 1° (84% территории), а эрозионно-опасный уклон >5° представлен только на 1% территории. При этом, по данным модели ASTER, ситуация абсолютно противоположная - преобладает уклон
>7° (43% территории), а оптимальных для возделывания продукции растениеводства земель (уклон <1°) всего 3%.
Пространственный анализ экспозиции склонов по двум ЦМР показал неоднозначность результатов (табл. 3). По данным SRTM, в Труновском районе больше всего земель северной экспозиции (20%), а по данным ASTER - южной экспозиции (15%). Практически полное совпадение по площадям показали земли восточной и западной экспозиций. Использование экспозиции склона не позволяет провести оценку достоверности цифровой модели рельефа.
Таблица 3 - Распределение площади территории Труновского района с разными _экспозициями, по данным ЦМР SRTM и ASTER_
Экспозиция ЦМР SRTM ЦМР ASTER
Северная 20% 14%
Северо-восточная 17% 14%
Восточная 11% 13%
Юго-восточная 6% 12%
Южная 8% 15%
Юго-западная 6% 9%
Западная 8% 8%
Северо-западная 17% 9%
Плоские участки 7% 6%
Заключение. На основании анализа полученных результатов можно отметить, что для ЦМР, обладающих высоким пространственным разрешением и вертикальной точностью (например ASTER), необходимо учитывать объекты, расположенные на территории исследования. Так, для территории Труновского района характерно наличие каркаса из лесных полезащитных полос, которые в моделях с высоким разрешением идентифицируются как локальные возвышения рельефа. Из-за этого происходит некорректный расчет уклона и экспозиции склонов. Аналогичная ситуация может наблюдаться и для ЦМР SRTM, но локальные возвышения рельефа в большинстве случаев нивелируются точностью модели SRTM.
При проведении агроэкологической типизации земель в рамках разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия оптимальной является модель SRTM с пространственным разрешением 90 м. Для использования моделей с более высоким пространственным разрешением (SRTM 30 м) необходимо проводить создание поправочных слоев, которые нивелируют влияние объектов, обладающих значительной высотной характеристикой (например, полезащитные лесные полосы).
Литература
1. Кулинцев В.В., Годунова Е.И., Желнакова Л.И. и др. Система земледелия нового поколения Ставропольского края: монография. - Ставрополь, 2013. 520 с.
2. Куприченков М.Т. и др. Земельные ресурсы Ставрополья и их плодородие. СНИИСХ. -Ставрополь, 2002. 320 с.
3. Антонов С.А. Анализ влияния особенностей рельефа на развитие процессов линейной водной эрозии на пашне Ставропольского края //Известия ОГАУ. №3. 2019. С. 30-33.
4. Мальцев К.А. Морфометрический анализ рельефа республики Татарстан средствами геоинформационных технологий //Современные аспекты экологии и экологического образования: Тез. докл. Всерос. научн. конф. 19-29 сентября 2005 г. - Казань: Изд-во Казанского университета, 2005.С. 362-364.
5. Dobos E. et al. Use of combined digital elevation model and satellite radiometric data for regional soil mapping // Geoderma. 2000. Vol. 97. P. 367-391.
6. EarthExplorer Home USGS [Электронный ресурс]: Официальный сайт: Федеральная геологическая служба США. - [Режим доступа]: https://earthexplorer.usgs.gov/ - Загл. с экрана (дата обращения: 12.05.2019 г.)
7. Антонов С.А., Есаулко А.Н., Сигида М.С., Голосной Е.В. Оценка развития процессов водной эрозии на территории агроландшафтов Ставропольского края и их влияние на продуктивность / // Вестник АПК Ставрополья. 2018. №1(29). С.67-73. DOI: 10.25930/vmg3-j684.
Антонов Сергей Анатольевич, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией ГИС-технологий ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр», Российская Федерация, Ставропольский край, г. Михайловск, Тел.: +79034093827, E-mail: santosb@mail.ru
Antonov Sergey Anatolevich, Cand. of Geographical Sciences, Leading Researcher, Head of the Laboratory of GIS technologies, Federal State Budgetary Scientific Institution «North Caucasus Federal Agricultural Research Centre», Russia, Mikhailovsk, Stavropol Territory. Tel.: +79034093827, E-mail: santosb@mail.ru
DOI: 10.25930/0372-3054/004.5.12.2019 УДК: 631.11:631.617
ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОГО ПОСЕВА В УСЛОВИЯХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ И ЕЕ ВКЛАД В ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ СБАЛАНСИРОВАННЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ
А.М. Беляков, М.В. Назарова
В статье излагаются результаты исследований применения технологии прямого посева в условиях сухостепной зоны темно-каштановых почв Волгоградской области, и на примере 2-х хозяйствующих субъектов (АО «Усть-Медведицкое» и КФХ Шкарупе-лова С.В.) представлены позитивные результаты по улучшению почвенного плодородия. Так, площадь пашни с высокой и средней обеспеченностью почвы подвижным фосфором (Р2О5) с 466 га в 2008 году выросла до 6040 га в 2018 году, или с 4,8 до 63% от всей площади пашни, обеспеченность калием (К2О) - до 98% в первом хозяйстве в зоне темно-каштановых почв, и во втором, в зоне черноземных почв, прирост гумуса за первые 5 лет составил 0,04%, за 13 лет - 0,49%. При этом площадь с высокой обеспеченностью гумуса выросла до 50,4% площади пашни, с низкой упала с 63% в 2003 году до 17,5% в 2018 году. Также обеспеченность почв подвижным фосфором выросла существенно: средняя - с 52,0 до 69,4%, высокая - с 15,0 до 24,2%, а низкая упала с 33 до 6,4%.
Наряду с обобщением опыта использования новой технологии в различных поч-венно-климатических условиях проведена оценка влияния различных агротехнологий на формирование экологически сбалансированных агроландшафтов по системе критериев. В результате исследований установлено, что агроландшафт, сформированный под влиянием технологии прямого посева, по ряду экологических показателей (возврату элементов питания, сохранению водно-физических свойств почвы, накоплению органического вещества, противодействию проявлений водной и ветровой эрозий) имеет существенные преимущества, но уступает другим технологиям по воспроизводству продукции с единицы площади.
