Геоинформационное картографирование современного состояния сельскохозяйственных территорий Новоаннинского района Волгоградской области

DOI:

Изучение структуры землепользования с помощью технологий дистанционного зондирования Земли, электронного картографирования и геоинформационного анализа является важнейшей и перспективной задачей для современного сельского хозяйства, экологической и географической науки. Знание фактических площадей сельскохозяйственных угодий, а также же их мониторинг и инвентаризация, соответствует целям и задачам многих государственных и региональных программ. Одной из самых крупных в современной России является Государственная программа «Эффективное вовлечение в оборот земель сельскохозяйственного назначения и развития мелиоративного комплекса». Стратегические и территориальные планы развития, в соответствии с программой, должны подразумевать разработку и реализацию региональных программ по вовлечению земель сельскохозяйственного назначения, а также улучшению мелиоративных комплексов [1]. В связи с этим перед регионами стоит цель введения в оборот около 13,2 млн га неиспользуемых земель. Также перед регионами стоит цель в инвентаризации современной структуры землепользования, что является актуальной задачей картографии. В комплекс работ по инвентаризации также входят работы по оценке состояния плодородия перспективных для вовлечения земель, включающий в себя агрохимические, эколого-токсикологи- ческие и почвенные исследования. Первостепенной задачей при этом является анализ более 60 % структуры землепользования до 2025 года. Геоинформационное обеспечение данных мероприятий является наиболее рациональным и перспективным инструментом. Созданные базы данных структур землепользования могут использоваться не только для инвентаризации, но и для дальнейшего мониторинга. Исследования по картографированию и анализу сельскохозяйственных угодий, имеющие в основе данные ДЗЗ высокого пространственного разрешения проводились и ранее на иные территории [4; 5]. Однако с развитием геоинформатики, появляются более точные и перспективные методы картографирования и оценки сельскохозяйственных угодий.

Материалы и методы исследования

Картографирование сельскохозяйственных угодий имеет множество особенностей. Главным фактором точности картографирования являются исходные данные. Стандартные методы основываются на использовании данных ДЗЗ высокого пространственного разрешения (Спутники Sentinel 2, Landsat 7/8/9), а также среднего пространственного разрешения (Спутники Terra, Aqua) [8; 9]. Однако с точки зрения точности использование таких данных не всегда дает корректный результат. Точность выделения здесь зависит от способа обработки данных, а также комбинации спектральных каналов. Универсальной комби- нации каналов для выделения даже обрабатываемых сельскохозяйственных угодий не существует. Поэтому, в большинстве случаев, для выделения сельскохозяйственных угодий используют комбинацию каналов «естественные цвета» (Каналы Red-Green-Blue) [2]. Точность выделения при использовании такой комбинации сильно зависит от квалификации и опыта пользователя. Наиболее рациональным картографированием сельскохозяйственных угодий является выделение с использованием комплекса источников, состоящих из разновременных данных ДЗЗ сверхвысокого и высокого пространственного разрешения. Данная методика потенциально дает самую высокую точность определения, а погрешности при выделении сельскохозяйственных угодий не превышают стандартные 5 %, закладываемые при картографировании. Такая методика имеет несколько особенностей, которые важно учитывать в процессе электронного картографирования:

• 1.    Использование данных сверхвысокого разрешения является основным источником. При этом, самым рациональным источником являются данные Google Earth, которые могут подключаться в геоинформационную среду в качестве WMS (WebMapServices) слоя. Так как данные сверхвысокого разрешения являются по структуре мозаикой разновременных снимков, использование Google Earth PRO позволяет выявлять дату снимка на каждом элементе мозаики, что позволяет выявить наиболее актуальные границы сельскохозяйственных угодий.

• 2.    Использование данных высокого пространственного разрешения в комбинации каналов «естественные цвета» позволяет уточнять границы полей на те участки мозаики сверхвысокого разрешения, которые имеют архивные материалы возрастом более 2 лет. Так как сельскохозяйственные угодья постоянно могут менять обрабатываемость, то верификация с помощью актуальных снимков высокого разрешения является важнейшим этапом в картографировании. При этом, предпочтение отдается снимкам конца весны, когда сельскохозяйственные угодья готовят к посадке [7].

• 3.    Картографирование границ сельскохозяйственных угодий по данным сверхвысоко-

  го пространственного разрешения должно производиться в рабочих масштабах от 1 : 1000 до 1 : 5000. Это позволит добиться наибольшей точности в выделении, а также в подсчете посевных площадей.

• 4.    Хорошо различаемые на данных сверхвысокого разрешения, но не дешифрируемые на высоком разрешении, объекты антропогенной деятельности – не картографируются. К таким объектам можно отнести полевые дороги на границах полей, стоянки техники, противопожарную опашку. В целом, выделение таких объектов существенно не изменит геометрические свойства полигонов при картографировании. При использовании таких данных при геоинформационном анализе, например, расчет NDVI, смытости почв, значения таких площадей потенциально могут дать аномалии и исказить дальнейшие исследования [6].

• 5.    При картографировании посевные площади разных культур и пары в границах крупных полей, представленных дорогами и лесными полосами, не разделяются. Это связано с динамичностью границ севооборотов внутри поля. При всем этом севооборот сельхозугодий также находится в динамике, в отличие от границ, поэтому по необходимости он может уточняться локально.

• 6.    Картографирование техногенных объектов, например опор линий электропередач не производится при условии, если линейные размеры объекта менее размеров пикселя спутникового изображения.

Результаты и обсуждение

В качестве района исследования выбран Новоаннинский район Волгоградской области. Площадь района составляет 3081,78 км2.

По данным Федеральной службы государственной статистики, по состоянию на 2021 г., на территории Новоаннинского района, посевные площади сельскохозяйственных культур составили 166,2 тыс. га. Динамика посевных площадей положительная (см. рис. 1).

Структура посевных площадей состоит из: подсолнечника на зерно (49,8 %), пшеницы озимой (19,9 %), пшеница яровая (7,07 %), кукуруза на зерно (6,92 %), зернобобовые культуры (5,1 %), рожь яровая (3,4 %) (см. рис. 2).

Рис. 1. Динамика посевных площадей на территории Новоаннинского района Волгоградской области

Рис. 2. Структура посевных площадей Новоаннинского района Волгоградской области за 2021 г.

В период с 2016 по 2021 г. посевные площади подсолнечника на зерно увеличились на 9,6 %, площади пшеницы озимой сократились на 6,5 %. В остальных культурах наблюдается относительная стабильность в посевных площадях, не превышающая 2 %.

Методами электронного картографирования на территории района выделено (см. рис. 3):

• 1.    Обрабатываемой пашни: 2194 поля общей площадью 210,1 тыс. га.

• 2.    Залежи: 91 поле общей площадью 2,84 тыс. га.

• 3.    Сенокосы: 205 контуров общей площадью 1,23 тыс. га.

Таким образом, электронное картографирование обрабатываемых площадей по данным ДЗЗ позволило выявить различия между фактическими данными и статистическими. Фактическая посевная площадь составляет 126,41 % от официальной, что свидетельствует о необходимости дополнительного мониторинга территории. Статистические данные о посевных площадях не содержат сведения о чистом паре, который был также выделен при картографировании по данным дистанционного зондирования Земли. Полученная разница частично может быть обусловлена наличием чистого пара. По данным Национального атласа почв [3] на территории Новоаннинского района Волгоградской области на 1 января 2006 г. имелось 219,1 тыс. га пашни, 4,7 тыс. га сенокосов и 47,2 тыс. га пастбищ, а неиспользуемые земли отсутствовали. Разница в значениях площадей обрабатываемых пашен за 15 лет составила 9 тыс. га.

Заключение

Предложенная методика картографирования, основанная на использовании данных сверхвысокого пространственного разрешения с верификацией по данным высокого разрешения, показала отличную результативность с точки зрения временных и трудовых затрат. Такие данные могут использоваться в дальнейшем для разного спектра исследований: мониторинга, инвентаризации, разработки лесомелиоративных планов. Результаты картографирования в сравнении с официальными данными позволяют выявлять недочеты в статистических данных, что позволяет более оперативно обновлять информацию. Перспектива использования таких данных, в совокупности с использованием вегетационных индексов, позволит актуализировать ежегодно различные севообороты на территории района и проводить анализ состояния сельскохозяйственных культур.

Рис. 3. Карта сельскохозяйственных угодий Новоаннинского района Волгоградской области по данным 2021 г.