Использование современных ГИС-технологий позволяет оценивать точные размеры пахотных земель и их продуктивность, динамику сокращения сельскохозяйственных земель и вывода их из разряда сельхозугодий; выявлять негативные почвенные процессы; обнаруживать признаки поражения культур; проводить мониторинг чрезвычайных ситуаций

В.Н. Темников (Главный вычислительный центр Минсельхоза России)Использование данных ДЗЗ при проведении переписи земель сельскохозяйственного назначения
А.В. Столпаков (Главный вычислительный центр Минсельхоза России)
А.А. Полищук (Главный вычислительный центр Минсельхоза России)

В.Н. Темников

А.В. Столпаков

А.А. Полищук

Площадь России составляет 17 млн км2, т. е. 1,707 млрд га, из них почти 25% (около 400 млн га) приходится на земли сельскохозяйственного назначения и около 13% (221 млн га) на сельскохозяйственные угодья, которые являются главным средством производства для сельского хозяйства. В сельской местности нашей страны проживает более 38 млн человек, из них в трудоспособном возрасте находятся около 22,04 млн человек. Понятно, насколько важно получение своевременной и достоверной информации об использовании сельскохозяйственных угодий (пахотных земель, сенокосов, пастбищ и др.), их состоянии и продуктивности. Существует еще и довольно острая проблема деградации земель. С 1990 г. из сельскохозяйственного оборота выведено около 30 млн га, что составляет почти 14% площади всех сельскохозяйственных угодий. Несмотря на меры государственной поддержки, ухудшается состояние мелиоративных систем, увеличиваются площади закисленных почв. Вынос питательных веществ из почвы примерно в четыре раза превосходит их внесение с удобрениями.

Проведенная в 2006 г. Всероссийская сельскохозяйственная перепись (надо отметить, что предыдущая перепись датируется 1920 г.) наряду с прочими показателями сельскохозяйственного производства предусматривала перепись земельных ресурсов сельскохозяйственного назначения Российской Федерации по видам угодий: пашни, сенокосы, пастбища, залежи и другие земли. Статистическая информация о наличии и использовании угодий предоставлялась сельскохозяйственными товаропроизводителями в виде количественных и качественных показателей, не имеющих пространственной привязки к конкретным землям, поэтому их проверка могла быть осуществлена только косвенными методами. По существующему законодательству достоверность этих данных зависит от доброй воли сельских жителей, их возможностей и интересов. Учет наличия и состояния сельхозугодий с использованием только статистических данных, полученных таким путем, вряд ли можно назвать достоверным (объективным).

Однако в силу бурного развития информационных технологий в настоящее время существуют и другие возможности получать достаточно объективную информацию по использованию и состоянию сельхозугодий в большей части (особенно зерносеющих) регионов Российской Федерации. Для реализации этих возможностей в процессе подготовки, проведения и обработки данных сельскохозяйственной переписи с использованием инструментальных средств географических информационных систем (ГИС) и средств сбора и обработки данных дистанционного зондирования, полученных с космических аппаратов, были сформированы единые федеральные информационные ресурсы, описывающие пространственное положение земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации. В ходе работ были использованы архивные и оперативные космические снимки, подготовлен цифровой картографический материал о наличии и состоянии земель сельскохозяйственного назначения, пространственно привязанный к единой цифровой топографической основе.

В статье кратко рассказывается о применении цифровых картографических данных и данных ДЗЗ при подготовке к проведению сельскохозяйственной переписи, обработке и использовании ее результатов в той части, что касается пространственной составляющей. Обновление и уточнение данных ведется на постоянной основе с использованием актуальных пространственных материалов, которые затем поступают в отраслевую систему спутникового мониторинга.

Общая схема данных
На рис. 1 показана общая схема данных, предназначенная для инвентаризации земель сельскохозяйственного назначения, оценки их использования и прогнозирования урожайности. Нижний слой представлен цифровой картографической основой масштабов 1:200 000 (для основных сельскохозяйственных регионов РФ) и 1:1 000 000 (для остальных регионов), на которую накладываются слои информации, полученной из различных источников. Слой «космокарты» создан из сцен, отснятых в 1999 2002 гг. спутником Landsat (сенсор ETM+; США). Слой границ земель землепользователей формировался в процессе проведения сельскохозяйственной переписи, тогда же было начато создание слоя границ сельхозугодий, дополнение которого продолжается и сейчас. Тематические данные представлены цифровыми почвенными, ландшафтными картами, картами эрозионных процессов и др. разных масштабов. Слой статистических данных аккумулирует статистическую информацию, централизованно собираемую в отрасли и предоставляемую Росстатом. Эта информация проходит стадию пространственной привязки к цифровой карте административно-территориального деления РФ. Все перечисленные данные используются совместно со сведениями, поступающими из отраслевой системы спутникового мониторинга, что позволяет проводить инвентаризацию и оценку использования сельхозугодий, оценку состояния посевов и прогнозирование урожайности. Таким образом, создаются информационные ресурсы о наличии и состоянии земель сельскохозяйственного назначения, имеющие привязку к местности, а также формируются технология и система их постоянного оперативного обновления.

Рис. 1. Общая схема данных

Цифровые материалы и технология проведения работ
Перед проведением переписи земель сельскохозяйственного назначения был изучен опыт создания кадастровых карт с использованием геодезических средств. Такая технология позволяет описывать границы земель сельхозпроизводителей и сельхозугодий с высокой точностью, однако требует немыслимо огромных затрат средств и времени.

Поэтому совместными усилиями специалистов организаций Минсельхоза России, Федерального агентства кадастра объектов недвижимости, РАН и РАСХН был разработан альтернативный вариант технологии создания цифровых карт земель сельскохозяйственного назначения на основе цифровых картографических материалов, архивных и оперативных космических снимков различного разрешения, фондовых кадастровых карт сельскохозяйственных земель и схем внутрихозяйственного устройства, который обеспечивал бы необходимую точность ведения мониторинга на федеральном уровне и был приемлемым экономически.

Для выполнения всего цикла работ потребовались следующие цифровые материалы на территорию сельскохозяйственных районов Российской Федерации:
архивные космические снимки с разрешением 15 30 м, полученные спутником Landsat в 2000 2002 гг.;
цифровые топографические основы масштабов 1:200 000 и 1:1 000 000;
кадастровые карты сельхозугодий и карты-схемы внутрихозяйственного устройства различных масштабов;
космические снимки со спутника IRS (Индия) с разрешением 5 м, полученные непосредственно перед проведением переписи для наиболее быстро развивающихся территорий;
данные земельного кадастра;
данные полевых измерений для тестовых и калибровочных территорий;
оперативные и архивные космические снимки со спутников Terra и NOAA (разрешение 1 км и 250 м; оба США)

Общая последовательность работ может быть описана следующей схемой:
подготовка космических изображений со спутника Landsat на территории районов субъектов РФ;
подготовка слоев цифровой топографической основы на те же территории районов субъектов РФ;
совмещение космических и картографических данных, образование фонового цифрового материала, имеющего пространственную привязку, с целью использования для картографирования земель сельскохозяйственного назначения;
создание твердых копий карт и рассылка их по субъектам РФ;
нанесение на кальки границ земель сельхозпроизводителей, для тестовых территорий границ сельхозугодий, сбор минимальной атрибутивной информации по сельхозпроизводителям с использованием фондовых кадастровых материалов;
сканирование и векторизация полученных границ земель сельхозпроизводителей;
создание цифровых карт, аккумулирующих все данные (космическое изображение, топографическая основа, границы земель сельхозпроизводителей) по территориям субъектов РФ, районов субъектов РФ, федеральных округов и страны в целом;
наложение на карты информации, полученной системой спутникового мониторинга;
получение вторичной картографической и прогнозной информации после проведения аналитических расчетов, сопоставления со статистическими данными и данными наземных наблюдений.

За исключением начального этапа, когда велись отладка технологии и подготовка первичного объема цифровой информации, работы выполнялись параллельно. Таким образом, обработка цифровых картографических материалов и данных ДЗЗ происходила независимо, по мере готовности они передавались по технологической линии для формирования контуров сельскохозяйственных угодий, затем следовали этапы тестирования и создания выходного продукта.

Ниже более подробно рассмотрены материалы, использованные в процессе проведения работ, и представлены некоторые результаты.

Снимки со спутника Landsat. Для картографирования земель сельскохозяйственного назначения использовались снимки со спутника Landsat с разрешением 15 30 м, которые покрывают почти всю территорию Российской Федерации по состоянию на 2000 2002 гг. Так как контуры сельскохозяйственных угодий ограничены, как правило, объектами естественного происхождения или созданными в процессе хозяйственной деятельности, которые мало подвержены изменениям, то указанные снимки вполне применимы для решения поставленной задачи. Эти снимки предоставляются бесплатно, поэтому стоимость их практического использования слагается из затрат на распространение, первичную обработку, структурирование, создание и сопровождение архивов.

Перед началом работ по картографированию сельскохозяйственных угодий потребовалось провести первичную обработку космических снимков для получения цветных изображений. Панхроматические изображения с разрешением 15 м (точнее 14,25) использовались для синтезирования цветных изображений на основе данных спектральных каналов с разрешением 30 м. В результате формировались цветные изображения с разрешением 15 м, которые лучше поддаются распознаванию. Из них создавались единые покрытия на территории сельскохозяйственных районов Российской Федерации. На рис. 2 приведены примеры изображений на территорию Азовского района Ростовской области.

Рис. 2. Азовский район Ростовской области (снимки Landsat)

Цифровые топографические основы. Параллельно с обработкой космических снимков готовилась цифровая топографическая основа, которая необходима для уверенного распознавания объектов местности, так как при использовании только космических материалов для достоверного распознавания нужны дорогостоящая техника, программное обеспечение, квалифицированный персонал и большие затраты времени.

Были подготовлены номенклатурные листы цифровых моделей местности масштаба 1:200 000 на большую часть сельскохозяйственных районов Российской Федерации. Эти материалы являются открытыми и имеют достаточную точность для совместного использования с космическими изображениями со спутника Landsat. Картографические материалы более крупных масштабов подпадают под гриф «Для служебного пользования» или «Секретно».

Поскольку цифровые картографические материалы исторически создавались в различных видах и формах, их предстояло привести к единым формату и проекции, совместить с космическими изображениями и сформировать в границах территорий районов субъектов РФ.

Общий состав цифровой модели представлен слоями:
математическая основа (отметки высот);
рельеф;
гидрография;
населенные пункты;
дорожная и железнодорожная сети;
растительность.

Во многих случаях такого объектового состава вполне достаточно, чтобы отделить при последующей обработке территории, не относящиеся к сельскохозяйственным.

На рис. 3 приведены примеры цифровых топографических основ территорий Ростовской области, Азовского района и одного из хозяйства Азовского района.

Рис. 3. Цифровые топографические основы

Карты земель сельхозпроизводителей и сельхозугодий. Одновременно с обработкой космических снимков и цифровых картографических материалов осуществлялась подготовка карт земель сельхозпроизводителей и сельхозугодий (кадастровые карты сельхозугодий и карты-схемы внутрихозяйственного устройства различных масштабов). Для этого привлекались содержащиеся в фондах Федерального агентства кадастра объектов недвижимости и его земельных комитетов карты-схемы хозяйств, составленные при выделении земельных долей в 1992 1993 гг., на которых указаны границы полей, виды этих границ (лесополосы, дороги и др.) и угодья (пашни, сенокосы, пастбища). Использовались также кадастровые карты, полученные в более позднее время.

На рис. 4 приведен пример кадастровой карты АО «Приморское» Азовского района Ростовской области.

Рис. 4. Кадастровые карты сельхозугодий АО «Приморское»

Создание границ земель сельхозпроизводителей и сельхозугодий. На основе обработанных космических и картографических материалов, а также подготовленных кадастровых карт формировались границы земель сельхозпроизводителей и сельскохозяйственных угодий. При этом цифровая картографическая основа задавала пространственные ориентиры, космические снимки контуры сельскохозяйственных объектов, а кадастровые карты использовались для более точного определения границ сельскохозяйственных угодий и землепользования, а также для определения вида угодий (пашни, пастбища, сенокосы). Сопоставление космических снимков и картографических материалов позволило в значительной степени актуализировать границы сельскохозяйственных угодий.

На рис. 5 приведен пример контуров границ полей АО «Приморское», созданных с использованием всего набора подготовленных материалов.

Рис. 5. Общая схема создание контуров полей

Окончание в следующем номере