Перфильев Сергей Евстафьевич, зав.сектором космического
аграрнопромышленного мониторинга Красноярского НИИ сельского хозяйства
Россельхозакадемии, к.г.н.


В развитие теории ландшафтного планирования на основе материалов аэрокосмосъемок в ГИС разработаны технологии агроландшафтного, агроэкологического и функционального картографирования при проектировании и конструировании устойчивых агроландшафтов и устойчивого агропроизводства. Составленные агроландшафтные, агроэкологические карты, карты обработки почв сельскохозяйственных земель и карты размещения культур по площадям используются в агропроизводстве ОАО «Племзавод «Таежный» Сухобузимского района Красноярского края.

Ключевые слова: картография, технологии, ГИС, агрогеосистемы, агрогеоэкология, аэрокосмосъемка.


Постановка проблемы

Новый этап использования информационно-космических технологий в сельском хозяйстве отмечен в 2003 году созданием в Главном вычислительном центре Минсельхоза России Системы дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения (СДМЗ). Сегодня на сайте АРИС (Минсельхоз РФ) в Internet имеется композиции сшитых спектрозональных космических снимков на всю территорию России полученных с космического аппарата Landsat ETM (разрешение [пиксел - мм] -15м), а также системы сельскохозяйственных угодий от крайних западных до крайних восточных границ страны. По индексу вегетации – NDVI и температуре подстилающей поверхности осуществляется расчет оценки фотосинтетически активной радиации и представлены карты с областями и ареалами созревания культур по регионам России.

В России, специалистами ЗАО «Инженерный центр «ГЕОМИР» на базе агрофирмы ЗАО «Ильинка» Оренбургской области впервые для управления крупным агропромышленным хозяйством создана система дистанционного мониторинга сельскохозяйственного производства (СМСП). СМСП представляет собой единую систему анализа и поддержки принятия решений, которая объединяет в единое целое объективные и актуальные данные, полученные с помощью самых современных средств мониторинга окружающей среды, включая космический и авиационный мониторинг. В настоящее время руководство сельскохозяйственного предприятия может принимать оперативные и стратегические решения на базе реальных данных о состоянии производства, экономики, потреблении ресурсов и сбыте продукции, собранных инструментальными средствами. Цель создания СМСП - увеличение объемов выпуска товарной продукции, уменьшение затрат на производство и повышение рентабельности. Задачей создания СМСП являлось получение достоверной информации о продукционных процессах в растениеводстве и животноводстве для принятия управленческих решений.
Ландшафтное планирование освоенных территорий выступает инструментом организации экологически сбалансированной жизнедеятельности общества, где целями являются обеспечение гарантий долговременной способности природного потенциала к воспроизводству и развитию геосистем и гарантий прав местного населения на достойную жизнь [3].

Одним из направлений ландшафтного планирования является проектирование и конструирование устойчивых агроландшафтов. Устойчивость агропроизводства основывается на применении ландшафтной, адаптивной, ресурсосберегающей и прецизионной (точной) систем земледелия и биологизированного кормопроизводства в различных по природному устройству агроландшафтах.

Задачей проектирования агроландшафтов является обособление агрогеосистем - физико-географических целостностей, вмещающих природные (равнины, плато, речные и озерные террасы рек 1-го порядка, низкогорья, среднегорья, лесные массивы, луга, реки, озера) местности и природно-антропогенные (места поселений и дачи на сельской территории, пашня, сенокосы, пастбища, находящиеся в личном подсобном хозяйстве) земли. Наряду с указанными землями агрогеосистема включает наиболее подверженные техногенному воздействию природно-техногенные земли - производственную инфраструктуру сельскохозяйственных организаций, в том числе сельскохозяйственные угодья.

Под проектированием понимаем выделение на сельскохозяйственных территориях агроландшафтов и агромассивов как системы земель, имеющие достаточный потенциал плодородия и возможностей увеличения их продуктивности с помощью биологических способов восстановления плодородия почв, а также других приемов и методов, позитивно влияющих на экологическое состояние агрогеосистем.

Конструирование предусматривает организацию системы земель для агропроизводства и управление продукционным процессом при помощи аграрных технологий земледелия и кормопроизводства (выращивание кормовых культур на пашне, сенокосах и пастбищах).
К проектированию относится агроландшафтное и агроэкологическое картографирование. Конструирование агроландшафтов подразумевает создание специальных тематических карт (функциональное зонирование аграрных территорий) для применения подсистем земледелия и кормопроизводства – почвообработки, севооборотов, удобрений, средств защиты растений, машин, орудий и уборки урожая.


Объекты и методы исследований

Объектом исследований является сельскохозяйственная территория юга Центральной Сибири (Красноярского края), представленная пространственными моделями в материалах космических съемок, топографических, геологических, почвенных и сельскохозяйственных карт. Карты сопровождаются легендами, техническими отчетами и пояснительными записками и находятся в научно-исследовательских, изыскательских и проектных организациях.

Обособление агроландшафтов (местностей) и агромассивов (урочищ и подурочищ) осуществляли методами прямого, экспертного (визуального) метода дешифрирования и интерпретации объектов на космических снимках с использованием программных пакетов графической программы Corel DRAW и картографической программы Mapinfo [2]. Интерпретация включает применение логических категорий, в основании которых находятся коррелятивные связи между компонентами ланд¬шафта и эмпирическими знаниями, получаемых в процессе полевых и камеральных работ.
В основу дешифрирования заложен ряд прямых и косвенных признаков. В первую очередь это размеры и формы как геометрические признаки, а также яркость и цвет, выступающие оптическими свойствами фотографий высотной съемки. Размеры, форма, зернистость, шероховатость, волнистость, тон, цвет, тень, контрастность и слитность на аэрокосмических снимках определяются этими же элементами и свойствами объектов в природе по времени съемки.

Результаты исследований

Близким аналогом технологий агрогеосистемного и агроэкологического картографирования является технология Ю.В.Никитиной [2007] мониторинга динамики лесных геосистем по аэрокосмическим снимкам [3].
Технология (агро) ландшафтного картографирования. Технология (агро) ландшафтного картографирования состоит из ряда методик и методов, которые включены в системотехнический проект (рис.1). В него входят цели и задачи, методы и способы агроландшафтного картографирования в ГИС и выбор пакетов ГИС программ для выполнения работы в целом. Цели и задачи картографирования определяют выбор масштаба плановых материалов.

Начальный этап применения ГИС подразумевает приведение получаемых космических снимков с космических аппаратов в картографическую (орто) проекцию с помощью программных пакетов ScanEx Magic или Photomod GeoMosaic. Следующим этапом при работе с крупными масштабами является создание фотопланшетов (композиции) снимков.

Рисунок 1.Технология ландшафтного картографирования по космическим снимкам структурно-геоморфологическим методом в ГИС

В дальнейшем технологии разделяется на два направления. Первое обозначено наличием пакета прикладных программ для топографической интерпретации снимков (ScanEx Image или Photomod DTM), конечным продуктом которой является построение цифровой модели рельефа. В другом направлении предусмотрено дешифрирование снимков вручную по применению структурно-геоморфологического метода (СГМ) выделения агроландшафтов (местностей) и агромассивов (урочищ и подурочищ). Результатом будет цифровая модель форм рельефа местности.

Границы областей, провинций, округов, районов в большинстве своем проходят по разломам – эндотектонической трещиноватости мега, макро и мезоформ рельефа. Границами ландшафтов, местностей и урочищ также выступает эндотектоническая трещиноватость, но выположенная эрозией, дефляцией и скрытая под чехлом осадочных (четвертичных) пород и почвенно-растительным слоем. Границы проводятся по килевым (отрицательным) элементам рельефа – руслам рек, речек, тальвегам логов, ложбин, лощин, линиям сочленения склонов и их подошв мезоформ рельефа. В результате проведения границ на снимках формируется ландшафтная сетка, которая необходима для составления морфотипической структуры ландшафта, где тип агроландшафта или агромассива устанавливается по рисунку гидросети (рис.2).

Рисунок 2. Типы агромассивов

Предпоследними операциями по картографированию ландшафтов и агроландшафтов является выбор пакета графических или картографических программ (Corel DRAW, MapInfo) для выполнения ГИС-карты, ландшафтной, агроландшафтной карты или карты агромассивов. ГИС-карта составляется путем оцифрования контуров и линий – созданием слоев физико-географических объектов (колков, водных объектов, лесных массивов) и нанесения слоев хозяйственного освоения - населенных пунктов, дорог, ЛЭП, полей, сенокосов и пастбищ. Последним в картографировании является создание базы данных, куда входит легенда с условными обозначениями, перечень характеристик объектов и явлений, размерностей объектов и расстояний между ними и другие данные. Условные обозначения могут быть выполнены в поле карты отдельно. Завершающими операциями агроландшафтного картографирования и создания карты являются нанесение картографических рамок карты и разбивка площади карты на листы печати в выбранном формате, а также печать листов карты, сбор листов в общий планшет и их склеивание.
В результате применения технологии ландшафтного картографирования получаем карту с ландшафтной системой земель, где имеются контура площадей на различных формах или элементах рельефа с различными абсолютными и относительными высотными отметками и имеющие различную степень расчлененности [3].

Технология агроэкологического картографирования. Ландшафтная сетка контуров агроландшафтной карты, полученная при агроландшафтном картографировании служит базовым элементом создания агроэкологической карты (рис.3).

Рисунок 3. Технология агроэкологического картографирования

В целом технология агроэкологического картографирования подразумевает создание агроэкологических карт М 1:100000 для агроландшафтов и М 1:25000 для агромассивов. На первом шаге, как в предыдущей технологии, составляется системотехнический проект. На втором шаге в указанных масштабах создается цифровая модель местности. При агроэкологическом картографировании местностей оцифровываются мезоформы рельефа, как основание агроландшафтов. В агроэкологическом картографировании систем урочищ (подурочищ) – агромассивов оцифровываются элементы рельефа, как плаща почв и почвообразующих пород. На третьем шаге осуществляется разделение (классификация) агроландшафтов на типы форм рельефа, а при районировании агромассивов на типы земель - по рисунку гидросети. Четвертый шаг определения агроэкологии агроландшафтов устанавливает принадлежность местности – агроландшафта к зональному типу земель (лесоагроландшафты – тайга, подтайга /ЛА/; агролесоландшафты – лесостепь /АЛ/; агростепные ландшафты – степь /АС/). Зональность агромассивов определяется по расчлененности рельефа, типам леса и типам лугов - индикаторов типов почв и почвообразующих пород на равнинной местности или по проявлению высотной поясности в луговой и лесной растительности низкогорных или среднегорных территорий.
Пятый шаг агроэкологического картографирования систем урочищ (подурочищ) предусматривает выяснение углов наклона (крутизны) плоскостей элементов рельефа. По углам наклона проводится разделение (классификация) плоскостей по отношению к эрозии (смыву) и осуществляется типизации земель на уровне урочищ.

Шестой шаг системотехники агроэкологического картографирования в ГИС местностей отражается в определении пространственной ориентации типов форм рельефа на фоне общего массопереноса воздуха и господствующих воздушных масс климата для выяснения поступления количества тепла и осадков в зависимости от положительной и отрицательной формы рельефа. На шестом шаге агроэкологического картографирования земель агромассивов выясняются трубы и коридоры перемещения воздушных масс мезоклимата и трансформации его рельефом в местный климат приземного слоя.

Следующим седьмым шагом проводится оцифровка карты четвертичных отложений и почвенных карт. Контурным основанием создания слоя четвертичных отложений, слоя типов почв и слоя почвообразующих пород служат цифровые модели рельефа агроландшафтов и агромассивов. Восьмой шаг отмечается созданием слоя сельхозугодий и контуров лесных массивов при агроэкологическом картографировании агроландшафтов на картах М 1:100000, который при картографировании на картах агромассивов М 1:25000 заменяется на слой пашни, сенокосов и пастбищ, лугов и колков.

Второй этап предусматривает классификацию оцифрованных склонов на слой с плоскими, выпуклыми, вогнутыми и сложными склонами (вогнуто-выпуклые и выпукло-вогнутые). По третьему этапу проводится вычисление углов наклона плоскостей вершин и склонов и создается слой плоских, пологих, покатых и крутых элементов рельефа. В четвертом этапе на вершинах и склонах создается слой гранулометрического состава почвообразующих пород, который связан с цифровой моделью местности. На пятом этапе формируются агроэкологические базы данных в размерах агроландшафтов и по агромассивам. Условные обозначения могут быть занесены на поле агроэкологической карты. В базе данных находится легенда карты, система доступа к слоям, к условным обозначениям и дополнительной информации. Шестым этапом агроэкологического картографирования создается общая таблица с тематическими слоями в границах ландшафтной сетки, которая является синтетической агроэкологической картой агроландшафтов или агромассивов. Завершающим этапом технологии, как и в предыдущей технологии, является картографическое оформление листов карты и их печать.

Агрогеоэкологическая карта позволяет обнаружить по порционно-оптимальному соотношению природных и антропогенных комплексов в антропогенном ландшафте их устойчивое, деградационное (трансформированное) и экстремально – деградационное состояние.
Технологии функционального картографирования (зонирования), понимаемые как технологии создания специальных тематических карт, которые включают информацию о технологических производственных процессах. К ним относятся карты по обработке почв, карты проведения работ по уходам и защите растений и карты размещения культур по площадям (севооборот).

Рисунок 4. Технология создания карты обработки почв

Технология создания карты обработки почв базируется на пространственных подсистемах и элементах агроландшафтной и агроэкологической карт и включает ряд методов, способов и операций по ее составлению.

На первом этапе создания карты обработки почв земель сельскохозяйственного предприятия из папки «Технология ландшафтного картографирования» выбираются слои с цифровыми моделями форм и элементов рельефа местности и слой границ агромассивов (рис.4).

На втором этапе технологии по рисунку гидросети осуществляется классификация агромассивов и создаются слои: полевой сплошной, полевой прямолинейный, полевой параллельный, полевой радиальный (разлапистый), полевой центральный, полевой перистый, полевой дугообразный, полевой кольцевой и полевой террасово-пойменный типы агромассивов.

На третьем этапе осуществляется наведения линий движения агрегатных
(почвообрабатывающие и посевные) комплексов поперек склонов или с копированием горизонталей рельефа полей агромассивов.

Четвертым этапом проводится создание базы данных, где находятся рекомендации по выбору технологий обработки почв и рекомендации по размещению культур в связи со специализацией земель, ориентированные на экономически целесообразные культуры и определяющие уменьшение проявления эрозионных процессов. В базе данных могут находиться слой типов агромассивов, слой типов вершин и склонов с различным наклоном плоскостей, слой гранулометрического состава почвообразующих пород по элементам рельефа и другая справочная информация. На пятом этапе проводится наложение линий движения агрегатов на слои почвообразующих пород и цифровую модель системы агромассивов. В результате получаем карту обработки почв агромассивов. Завершающим этапом технологии, как и в предыдущих технологиях, является картографическое оформление листов карты и их печать.

Продолжением специального тематического картографирования – функционального зонирования является создание карт размещение культур по площадям, которые служат элементами системы севооборота (рис.5). Под системой севооборота понимают смену или сезонное чередование культур в зависимости от экономической необходимости и агрономической целесообразности. По сути, севооборот представляет собой искусственные сукцессионные ряды смены культурных растений с присутствием или отсутствием пара, перелога и залежи.

Технология создания карты размещения культур по площадям опирается на информационные слои таблиц карты агроэкологической и карты обработки почв. Система полей, которая находится в площади агромассива и располагается в двух, трех урочищах с одним микрорельефом на одном или двух скульптурных элементах мезорельефа (вершина или склоны одной формы и экспозиции, и одинакового угла наклона склонов) объединяется в агровыдел. Данный подход обусловлен системой обработки почв, когда планируются технологические гоны обработки почв с наименьшим числом поворотов агрегатной техники, что ведет к экономии времени на выполнение агротехнологических операций.

В большинстве сельскохозяйственных предприятий система экономической специализации земель – размещение культур в системе полей имеет концентрическую структуру. Прифермрские севообороты направлены на выпас скота и заготовку зеленого корма, за ними располагаются силосные и зернофуражные культуры и завершают систему севооборотов зерновые, семечковые или корнеплодные культуры.

Рисунок 5. Технология создания карты размещения культур по площадям (севооборот)

Цель технологии заключается в создании посевов культур, которые в имеющейся по качественным показателям (плодородие и продуктивность) ландшафтной системе земель могли произвести наибольший объем продукции. Перед технологией стоят задачи по выявлению наилучшего и наименьшего качества отдельных участков земель агровыделов по ряду экологических признаков, выделению таких участков в агровыделах и определение и подбор культур с наибольшей урожайностью для каждого такого участка. Учитывая экономическую необходимость и экологическую целесообразность указанных участков, появляется возможность выделения их в качестве рабочих участков, где будут проводиться основные циклы возделывания культур.

На первом шаге технологии создания карты размещения культур по площадям в таблице ГИС выставляется ландшафтная сетка агромассивов, которая находится в агроэкологической карте вместе со слоями реки, дороги, ЛЭП и населенные пункты. Вторым шагом системотехники проводится наложение на ландшафтную сетку слоя сельскохозяйственных угодий (пашня, сенокосы, пастбища), контуров лугов и лесов. Третьим шагом проводится наложение слоя плоскостей элементов форм рельефа с различными углами наклона (крутизны) на выставленные контура. Этой операцией учитываем мощность ветровой и водной эрозии. Четвертый шаг заключается в наложении на предыдущие слои слоя почвообразующих пород. Пятый шаг отражает наложение почвенных контуров на слой зональной принадлежности агромассива и определения типа структурных элементов агроландшафта по биоклиматическим параметрам (ЛА; АЛ; АС). На основании указанных операций создаем слой специализации земель нескольких агромассивов, среди которых могут присутствовать все направления специализации агровыделов по ландшафтной системе земель – зерновая, животноводческая, техническая и смешанная или одна, или две специализации. Данное положение обусловлено расположением аграрных земель по суровости климата, проявлением широтной зональности, высотной поясности и общим строением рельефа местности. Указанный шаг будет шестым. На седьмом шаге накладываем слой специализации земель на слои, которые были закончены на четвертом шаге и определяем по агроэкологическим параметрам одно – три урочища полей, которые расположены на элементах одной мезоформы рельефа, тем самым создаем слой агровыделов. Восьмым шагом, на основании экономических требований и агроэкологической адаптации культур к определенной ландшафтной системе (группе) земель проводим расчеты площадей под культуры или их смесей и создаем слой рабочих участков. На девятом шаге привлекаем из базы данных агроэкологической карты информацию «Рекомендации по размещению культур и ротации севооборотов». Десятым шагом определяем наибольшую адаптацию культур к выявленным агроэкологическим условиям и выясняем смены культур с целью сохранения наибольшего плодородия земель при выращивании различных культур. Одиннадцатый шаг предусматривает создание условных обозначений и легенды карты, часть из которых привлекаются из предыдущих карт. Условные обозначения могут быть занесены в поле карты. В результате получаем карту размещения культур по площадям, имеющею системотехнические связи с базой данных. Завершающим этапом технологии, как и в предыдущих технологиях, является картографическое оформление листов карты и их печать.

Заключение

Представленные технологии агроландшафтного, агроэкологического и функционального картографирования (зонирования) позволяют создавать модельные ряды состояния агрогеосистем и геосистем, и выбирать из них наиболее экономически целесообразные и экологически безопасные. При этом подходе решаются вопросы устойчивого состояния агроландшафтов и устойчивого агропроизводства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антипов А.Н. Ландшафтное планирование в России: опыт работ и перспективы. /А.Н.Антипов, В.В.Кравченко, В.М.Плюснин, Ю.М.Семенов, Е.Г.Суворов//. Ландшафтное планирование для России. ИГ СО РАН, 2006. – 198с.
2. Ландшафтно-интерпретационное картографирование /Т.И.Коновалова,
Е.П.Бессолицына, И.Н.Владимиров и др.- Новосибирск: наука, 2005.- 424с.
3. Никитина Ю.В. Разработка и исследование технологии мониторинга динамики лесных экосистем по материалам дистанционного зондирования: Автореф.дис.канд. техн. наук 25.00.34 /Юлия Владимировна Никитина/.- Новосибирск.- 2007.- 26с.
4. Перфильев С.Е. Пространственная организация агроландшафтов юга Центральной Сибири (Красноярский край). – Аграр. Россия - №1, 2007. – С. 2-6.