Для адресных инвестиций в агропромышленный комплекс необходимо проведение инвентаризации сельхозугодий. Однако при традиционной системе получения данных о состоянии сельскохозяйственных земель при решении этой задачи возникают практически непреодолимые (без применения технологий ДЗЗ) сложности

А.В. Абросимов (Компания «Совзонд»)
Б.А. Дворкин (Компания «Совзонд»)

Б.А. Дворкин

А.В. Абросимов

Сельское хозяйство одна из наиболее перспективных сфер для использования данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в том числе в целях повышения интенсификации животноводческого и особенно растениеводческого производства. Сельскохозяйственные культуры хорошо проявляются на космических снимках, ничем не скрыты, одноярусны, хорошо дешифрируются как по текстуре, так и по спектральным характеристикам.

Методы ДЗЗ широко используются в агропромышленном комплексе многих стран мира (США, Канада, страны Евросоюза, Индия, Япония и др.). К наиболее известным примерам действующих систем сельскохозяйственного мониторинга можно отнести проект MARS (The Monitoring of Agriculture with Remote Sensing разработка Объединенного исследовательского центра Еврокомиссии по мониторингу сельскохозяйственных земель), который позволяет определять площади посевов и урожайность сельскохозяйственных культур, начиная с уровня государств и регионов и заканчивая отдельными фермами. Результаты расчетов используются для налогового контроля за производителями продукции, выработки гибкой системы цен и квот, планирования экспортно-импортных операций и других мероприятий. Аналогичная система применяется Министерством сельского хозяйства США.

В России разрабатывается национальная Космическая система дистанционного зондирования Земли для мониторинга земель сельскохозяйственного назначения. Работа ведется в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия (2008 2012 гг.), в которой на создание системы государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства (куда попадает и использование технологий ДЗЗ) выделено около 4,5 млрд руб.

Согласно данным Росстата, в 2007 г. посевные площади в стране составили 76,4 млн га. Управление сельскохозяйственным производством требует наличия объективной и регулярно обновляемой информации. Для адресных инвестиций в агропромышленный комплекс необходимо проведение инвентаризации сельхозугодий. Однако при традиционной системе получения данных о состоянии сельскохозяйственных земель при решении этой задачи возникают практически непреодолимые (без применения технологий ДЗЗ) сложности.

Для проведения учета, инвентаризации и классификации сельхозугодий необходимы специальные крупномасштабные сельскохозяйственные планы и карты. В СССР и РФ крупномасштабная сельскохозяйственная (или земельная) съемка системно в общегосударственном масштабе никогда не проводилась. Имеющиеся в наличии разнородные планы и карты сельхозугодий отдельных районов и хозяйств безнадежно устарели, так как создавались еще в советские времена. Кроме того, они зачастую примитивны по содержанию (показаны только границы угодий), не отнесены к единой системе координат, используют искаженную (в соответствии с действовавшими инструкциями по соблюдению секретности) топооснову. Происходившие в стране в начале 1990-х годов перестроечные процессы затронули и аграрный сектор. Многие земли были выведены из оборота и заброшены. За прошедшие годы часть из них пришла практически в негодность с точки зрения возможности сельскохозяйственного использования (например, заросли лесом). Естественно, что эти явления на старых планах и картах не отражены, поэтому, пользуясь ими, предполагаемый инвестор даже приблизительно не может подсчитать площади потенциальных сельхозугодий.

Из сказанного следует, что первоочередными задачами, которые необходимо решить с помощью данных ДЗЗ в аграрном секторе экономики России, являются инвентаризация сельхозугодий и создание специальных тематических карт. Сельхозугодья, а также брошенные, засоренные, зарастающие (в том числе лесной растительностью) земли хорошо дешифрируются по текстуре изображения. Наличие большого массива архивных снимков также может оказать существенную помощь. Например, если сравнить снимки Landsat 1990-х годов с современными, то несложно выявить земли, пришедшие в негодность и требующие значительных финансовых вложений для возвращения в оборот.

В настоящее время для инвентаризации сельскохозяйственных земель и создания специальных карт наиболее перспективными с точки зрения соотношения «цена качество» являются данные со спутника ALOS (Япония). Сенсор PRISM, которым снабжен спутник, в основном и предназначен для картографирования. Каждый из трех объективов сенсора (для визирования вперед, вертикально вниз и назад) обеспечивает пространственное разрешение 2,5 м. Для PRISM характерна не только высокая разрешающая способность, но и достаточно широкая полоса съемки до 35 км. Наиболее показательным параметром, выделяющим съемочную систему среди других аналогичных, является высочайшая точность позиционирования снимков с использованием только орбитальных данных без выполнения каких бы то ни было наземных изысканий. Использование RPC (коэффициентов рационального полинома), поставляемых вместе со снимками, позволяет получать пространственную основу с точностью позиционирования не хуже 10 м, что вполне удовлетворяет задачам сельскохозяйственного картографирования в масштабах до 1:25 000. Оптическая система PRISM, основанная на трех зеркалах, не имеет хроматической аберрации по всему полю обзора и дает четкое изображение, что важно для дешифрирования и определения границ различных видов сельхозугодий и земель. Следует отметить, что стоимость цифровых изображений с КА ALOS существенно ниже, чем с других спутников с аналогичным разрешением (например, SPOT-5 (Франция) или Cartosat-1 (Индия)), а себестоимость камеральных работ при построении ортотрансформированных изображений для создания картографической продукции составляет незначительную часть общей стоимости проекта.

Сельскохозяйственное картографирование с использованием данных ДЗЗ должно обеспечить составление карт трех уровней:
административных районов;
отдельных хозяйств;
отдельных угодий (конкретных полей, пастбищ, сенокосов и т. д.).

Технология дешифрирования снимков для задач тематического картографирования с применением программного комплекса ENVI (ITT Visual Information Solutions) хорошо отработана специалистами компании «Совзонд», поэтому создание специальных сельскохозяйственных карт, например на среднюю полосу европейской части России, может занять не более двух месяцев.
Следующая важная и безусловно перспективная область применения технологии ДЗЗ в аграрной сфере мониторинг сельскохозяйственных культур.

Типичными задачами здесь являются:
обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;
раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;
одновременный мониторинг темпов уборки урожая в крупных регионах;
определение емкости пастбищ различных типов, продуктивности сенокосов и др.

Эти задачи решаются проведением систематических повторных съемок, которые обеспечивают наблюдение за динамикой развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности. Используя при дешифрировании информацию об изменении спектральной яркости растительности в течение вегетационного периода и индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), можно по тону изображения полей судить об их агротехническом состоянии и т. д. (рис. 1-3)

Рис. 1. Черемшанский район Татарстана. Космический снимок ALOS AVNIR-2 за 22 августа 2007 г. Синтез с ближним ИК-каналом

Следует отметить, что текущие результаты мониторинга дают более объективные и точные сведения, когда совмещаются с актуальными и достаточно точными картами сельхозугодий. Сами же задачи мониторинга решаются на этом фоне эффективнее и с существенно меньшими затратами, так как нет необходимости использовать натурные данные для определения границ полей и гораздо легче выделить эталонные участки. Если не брать в расчет такой аграрный сектор, как «точное земледелие» (о котором будет сказано ниже), то для комплекса задач сельскохозяйственного мониторинга вполне подходят данные, полученные спектрорадиометром MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), который установлен на спутниках Terra и Aqua (оба США). Что особенно привлекательно данные MODIS находятся в свободном доступе, бесплатно и практически в режиме реального времени распространяются Геологической службой США через сеть Интернет. Спектрорадиометр MODIS имеет 36 спектральных диапазонов с 12-битным радиометрическим разрешением в видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасном диапазонах и проводит регулярную съемку любой территории с пространственным разрешением 250, 500 м и 1 км. Период обращения спутников и ширина полосы съемки (до 2300 км) обеспечивают глобальное покрытие Земли данными наблюдений два раза в сутки, что позволяет получать детальную во временном отношении информацию о сезонном ходе развития растительного покрова. Наибольший интерес для мониторинга изменения качества растительного покрова представляют измерения отраженного излучения в красном (0,62 0,67 мкм) и ближнем инфракрасном (0,84 0,88 мкм) спектральных каналах MODIS.

Рис. 2. Черемшанский район Татарстана. Карта сельхозугодий, созданная по снимку

Особую роль методы ДЗЗ играют в такой относительно новой сфере сельского хозяйства, как «точное земледелие», суть которого состоит в том, что для получения с некоторого поля максимального количества качественной и дешевой продукции для всех растений этого сельхозугодья создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности. «Точное земледелие» внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств. Первостепенное значение для «точного земледелия» имеет постоянный контроль за состоянием растительности. Важной составляющей технологии «точного земледелия» является своевременное обнаружение и локализация участков угнетенного состояния растительности в пределах поля, что может быть вызвано разными факторами: поражением растений вредителями, засильем сорняков и т. д. Данные ДЗЗ для оперативного реагирования на ситуацию являются незаменимыми, но для этого они должны удовлетворять следующим условиям:
возможность оперативного получения и обработки;
высокое и сверхвысокое разрешение для повышения точности определения биофизических параметров растительного покрова;
наличие мультиспектрального режима для использования при дешифрировании различий в спектральной яркости;
достаточно частая периодичность получения.

Рис. 3. Черемшанский район Татарстана. Цветное изображение с разрешением 2,5 м, созданное по панхроматическому снимку ALOS PRISM и мультиспектральной информации ALOS AVNIR. Сельхозугодья, траспортная инфраструктура, населенные пункты. 22 августа 2007 г.

Этим условиям в полной мере отвечают данные с космического аппарата Formosat-2, который был запущен 21 мая 2004 г. космическим агентством Тайваня NSPO (National Space Organization). Основными преимуществами спутника являются маневренность (может выполнять съемку с отклонением 45 от надира), возможность ежедневной съемки, а также раннее прохождение над любой точкой Земли (9 ч 30 мин утра по местному времени, тогда как у большинства спутников 10 ч 30 мин), что увеличивает вероятность безоблачной съемки.
Хорошая перспектива в плане сельскохозяйственного мониторинга у группировки из пяти мини-спутников RapidEye, которые были запущены 29 августа 2008 г. RapidEye первый в Германии проект ДЗЗ коммерческого назначения. Компания RapidEye AG владелец группировки спутников планирует предоставлять потребителям данные ДЗЗ разного уровня обработки: от исходных снимков до ортотрансформированных на основе цифровых моделей рельефа изображений (с радиометрической и геометрической калибровкой). Новая группировка спутников позволит выполнять съемку одного и того же района Земли с периодичностью 24 ч с площадью покрытия 4 млн км2. Маневренность аппаратов, большая площадь съемки, возможность ежедневного мониторинга, а также высокое пространственное разрешение (до 5 м) делают использование данных RapidEye особенно перспективным в сельском, лесном хозяйстве и некоторых других отраслях.

Таблица. Основные технические характеристики КА Formosat-2 и RapidEye

Возвращаясь к КА Formosat-2, следует отметить такую привлекательную возможность доступа к данным, как сервис «My Formosat», который позволяет заказчику самостоятельно осуществлять планирование новой съемки и получать данные со спутника. Основными преимуществами сервиса являются оперативность заказа съемки и отсутствие необходимости в приобретении дорогостоящего оборудования. Подписчику сервиса «My Formosat» дается возможность зарезервировать определенную часть спутниковых съемочных мощностей.

В заключение следует отметить, что компания «Совзонд» предлагает комплексный системный подход к использованию данных ДЗЗ в сельском хозяйстве. Оптимальной является следующая схема:
1. Инвентаризация сельхозугодий и специальное сельскохозяйственное картографирование (данные ALOS/PRISM).
2. Сельскохозяйственный мониторинг (Terra, Aqua/MODIS; для «точного земледелия» Formosat-2 и RapidEye).
Для реализации схемы перспективным выглядит создание регионального (районного) Центра оперативного космического сельскохозяйственного мониторинга и пространственного анализа, который может включать подразделения:
получения и обработки информации в режиме реального времени;
динамического отображения информации в геоинформационной среде;
информационно-аналитической поддержки принятия решений;
связи и управления.

В состав системы могут быть включены мобильные полевые лаборатории, позволяющие оперативно решать, например, такие задачи, как выбор и мониторинг эталонных участков.

Компания «Совзонд» проводит обучение специалистов сельского хозяйства работе с программным комплексом ENVI, позволяющим дешифрировать и обрабатывать поступающую спутниковую информацию, а также оказывает консультационные услуги.