Построение карт элювиально-аккумулятивных зон почв по беспилотным и спутниковым данным на примере сельскохозяйственных угодий ОПХ “Курагинское” ФИЦ КНЦ СО РАН

Финансирование. Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ – FWES-2024–0032 “Влияние структурных, динамических и оптических характеристик хлоропластов на продуктивность сельскохозяйственных растений”.

Цитирование: Ботвич И. Ю. Построение карт элювиально-аккумулятивных зон почв по беспилотным и спутниковым данным на примере сельскохозяйственных угодий ОПХ “Курагинское” ФИЦ КНЦ СО РАН /И.Ю. Ботвич, А. П. Сницерев, М. И. Рачинский, А. П. Шевырногов // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2026, 19(6). С. 803–812. EDN: FCYORK

Рельеф ландшафтов земледельческой части Средней Сибири преимущественно равнинный, местами увалистый, увалисто-холмистый с волнистыми и платообразными водоразделами, с пологими, слабопокатыми и покатыми склонами [3]. Склоновый характер рельефа на этих территориях обуславливает делювиальные и эрозионные процессы, которые приводят к смещению и смешиванию пород разного генезиса, а также к смыву и выдуванию мелкозема [4]. Например, в Красноярском крае на склонах от 1 до 3° расположено 47 % пахотных земель, до 5° – 14,5 %, до 7° и более – 9,9 % [3].

Основными факторами, влияющими на варьирование содержания гумуса почвы в склоновом рельефе, являются экспозиция склонов и уклон. Установлена высокая зависимость содержания гумуса пахотного слоя почвы от экспозиции и крутизны склона (R МН = 0,72) [5].

Эрозионные процессы приводят к снижению содержания гумуса в почве и, как следствие, к увеличению площади малогумусных контуров. Так, в работе Г. П. Глазунова и соавторов показано, что на исследуемом ими участке произошло перераспределение гумусового вещества со склона с частичной его аккумуляцией в замкнутых понижениях северной части склона [5].

Традиционным источником данных о рельефе территорий являются спутниковые радарные данные ASTER, AW3D 30, MERIT, TanDEM–X, SRTM, NASADEM и др. [6–8]. Но эти данные обладают определенными ограничениями – недостаточное пространственное разрешение и наличие ошибок на участках со сложным рельефом, что делает их непригодными для вну-триполевого анализа сельскохозяйственных угодий. Для решения задач точного земледелия наиболее эффективным является использование ЦМР (цифровой модели рельефа), построенной по результатам аэрофотосъемки с беспилотных летательных аппаратов методом фотограмметрии. Беспилотные технологии позволяют получать данные высокого пространственного разрешения и обеспечивают высокую оперативность проводимых работ на исследуемых территориях.

Цель: разработка метода построения карт элювиально-аккумулятивных зон почв по данным дистанционного зондирования для решения задач точного земледелия.

Материалы и методика

Исследования проводились на землях ОПХ «Курагинское ФИЦ КНЦ СО РАН. ОПХ «Ку-рагинское» расположено в Курагинском районе Красноярского края, площадь исследуемой территории в 2025 г. составила 18 000 га.

Исследования основываются на данных беспилотной съемки, спутниковых и наземных измерений. Беспилотные съемки выполнены с помощью Геоскан-201 Агро RGB-камерой Sony RX1RM2 в 2022 г. и 2025 г. [9, 10]. Фотограмметрическая обработка проводилась в Agisoft Metashape. После выполнения фототриангуляции с самокалибровкой общая ошибка (на опорных и контрольных точках) не превышала 7 см. В результате проведенных обработок получены ортофотопланы RGB-съемки с пространственным разрешением 8,5 см и цифровые модели рельефа с пространственным разрешением 17 см. В исследовании использовались данные по съемкам 2025 г. по всем полям ОПХ, кроме полей №№ 34, 35, 36 (для данных полей использовались данные съемок 2022 г.).

Для оценки ЦМР по спутниковым данным применялись данные FABDEM (Forest And Building remove Copernicus DEM) [11]. Данная ЦМР получена путем удаления деревьев и зда-– 805 – ний из модели Copernicus GLO-30. Пространственное разрешение – 1 угловая секунда (около 30 м на экваторе). Вертикальная точность FABDEM RMSE = 2.06 m [11].

Расчет морфометрических параметров ЦМР (slope, aspect, total catchment area, MRRTF, MRVBF, LS Factor) выполнялся с помощью ГИС SAGA. Программное обеспечение SAGA (System for Automated Geoscientific Analyses) – это платформа, предоставляющая набор модулей для анализа данных дистанционного зондирования [12].

Результаты и их обсуждение

В 2022 г. сотрудниками Лаборатории экологической информатики ИБФ СО РАН впервые в истории ОПХ “Курагинское” ФИЦ КНЦ СО РАН проведена беспилотная съемка всех сельскохозяйственных угодий [13]. Площадь съемки в 2022 г. составила 15 000 га. К 2025 г. площадь сельскохозяйственных угодий значительно увеличилась, в связи с чем произведена повторная съемка всех угодий ОПХ, включая новые поля – всего 18 000 га. На рис. 1 представлен ортофотоплан ОПХ «Курагинское» ФИЦ КНЦ СО РАН с контурами полей в 2025 г.

На рис. 1 представлены цифровые модели рельефа ОПХ “Курагинское” ФИЦ КНЦ СО РАН, построенные по беспилотным (в) и спутниковым (б, г) данным. В результате сравнения

Рис. 1. Беспилотные и спутниковые данные ОПХ «Курагинское» ФИЦ КНЦ СО РАН с контурами полей в 2025 г.: а – ортофотоплан ОПХ, построенный по беспилотным данным; б – спутниковая ЦМР карта ОПХ; в – ЦМР полей по беспилотным данным; г – ЦМР полей по спутниковым данным

Fig. 1. Unmanned aerial vehicle and satellite data of the EPF “Kuraginskoye” of the federal research center KSC SB RAS, showing field contours in 2025: а – Orthophotomap of the EPF based on unmanned aerial vehicle data; b – Satellite DEM map of the EPF; c – Field DEM based on unmanned aerial vehicle data; d – Field DEM based on satellite data беспилотных и спутниковых данных установлено, что беспилотные данные существенно превосходят спутниковые по детализации и точности. Беспилотные данные с сантиметровым пространственным разрешением позволяют оценивать не только мезорельеф, но и микрорельеф полей.

Авторами данного исследования разработан уникальный метод построения карт плодородия сельскохозяйственных полей по беспилотным и спутниковым данным [9]. Предложенный метод позволяет определять зоны повышенного и пониженного плодородия. Используя полученные сведения о состоянии поля, производится построение карт-заданий для дифференцированного внесения внутрипочвенных удобрений, что обеспечивает оптимизацию использования агрохимических средств и снижение антропогенной нагрузки на агроландшафты. Результаты проведенных исследований показали, что доля устойчивых зон повышенного и пониженного плодородия в пределах отдельно взятого поля составляет от 4 до 28 % от его общей площади. Это означает, что на протяжении нескольких лет определенные участки поля сохраняют статус зон “повышенного” или “пониженного” плодородия, несмотря на ежегодное внесение удобрений и проводимые агротехнические мероприятия. Основной причиной этого являются особенности мезорельефа поля, а именно характер кривизны склонов, экспозиции, крутизны и формы поверхности, которые определяют перераспределение твердого стока и влаги. Вогнутые элементы мезорельефа формируют зоны аккумуляции мелкозема и влаги, что способствует накоплению органического вещества и элементов минерального питания, тогда как выпуклые и приводораздельные участки служат транзитными зонами либо очагами смыва, что приводит к обеднению почвенного профиля.

Определение причин формирования зон c различным уровнем плодородия является важнейшим шагом в понимании процессов перераспределения вещества в агроландшафте. Традиционные исследования водной и ветровой эрозии на сельскохозяйственных полях фокусируются на определении участков, подверженных смыву почвы и потере наиболее плодородного горизонта [14–18]. Однако за рамками исследований остаются вопросы определения зон накопления и транзита твердого стока. Многолетнее действие эрозионно-аккумулятивных процессов приводит к формированию элювиально-аккумулятивных зон: зон максимального и умеренного накопления, транзитных и элювиальных зон.

Авторами данной работы разработан метод определения элювиально-аккумулятивных зон по беспилотным и спутниковым данным. Зонирование поверхности производится на основании анализа морфометрических параметров ЦМР. На рис. 2 представлены результаты построения карт элювиально-аккумулятивных зон почв ОПХ «Курагинское» по беспилотным и спутниковым данным.

Рассмотрим более подробно карты элювиально-аккумулятивных зон почв полей №№ 8, 9 и 10, построенные по беспилотным (а) и спутниковым (б) данным (рис. 3). Представленная карта включает четыре зоны, обозначенные разным цветом:

• •    зоны максимального накопления обозначены – зеленым цветом,

• •    умеренного накопления – синим,

• •    транзитные зоны – желтым,

• •    элювиальные зоны – красным.

Рис. 2. Карта элювиально-аккумулятивных зон почв по беспилотным (а) и спутниковым (б) данным. Зоны максимального накопления обозначены – зеленым цветом, умеренного накопления – синий, транзитные зоны – желтым, элювиальные зоны красным цветом. Черным контуром обозначены границы сельскохозяйственных полей

Fig. 2. Map of eluvial-accumulative soil zones based on unmanned aerial vehicle (a) and satellite (b) data. Zones of maximum accumulation are shown in green, zones of moderate accumulation are shown in blue, transition zones are shown in yellow, and eluvial zones are shown in red. The boundaries of agricultural fields are shown in black

Рис. 3. Фрагмент карты элювиально-аккумулятивных зон почв по беспилотным (а) и спутниковым (б) данным полей ОПХ «Курагинское», представленной на рис. 2. Зоны максимального накопления обозначены зеленым цветом, умеренного накопления – синим, транзитные зоны – желтым, элювиальные зоны – красным. Черным контуром обозначены границы сельскохозяйственных полей

Fig. 3. A fragment of the map of eluvial-accumulative soil zones based on unmanned aerial vehicle (a) and satellite (b) data from the EPF “Kuraginskoye”, shown in Figure 2. Zones of maximum accumulation are shown in green, moderate accumulation in blue, transition zones in yellow, and eluvial zones in red. The boundaries of agricultural fields are outlined in black

Зоны максимального накопления включают днища ложбин, логов, балок, замкнутые понижения. В данных зонах происходит интенсивное накопление аллювиальных и делювиальных отложений; формирование мощных (иногда погребённых) почвенных профилей [19].

Зоны умеренного накопления – расположены в нижней части склонов (подошвы), конусы выноса, выположенные участки у основания склонов. В данных зонах идет преобладание аккумуляции делювиальных и пролювиальных наносов над выносом; положительный баланс наносов; осаждение мелкозема и органики [14].

Транзитные зоны – включают срединные части склонов с прямолинейным или слабовогнутым профилем. Это зоны устойчивого переноса материала, баланс наносов близок к нулю, смыв компенсируется привносом с вышележащих участков [20].

Элювиальные зоны – включают выпуклые и прямые участки склонов (вершины, бровки, верхние трети склонов), области генерации поверхностного стока. Доминирование плоскостной и линейной эрозии, характерен отрицательный баланс наносов. Происходит активный вынос мелкозема и органического вещества [14–18].

В результате сравнения элювиально-аккумулятивных зон почв, построенных по беспилотным и спутниковым данным, установлено, что именно беспилотные данные позволяют обеспечить высокую детализацию полученных карт, требуемую для решения задач точного земледелия. Высокое пространственное разрешение беспилотных данных позволяет оценивать участки с линейными размерами от нескольких метров. Это, в свою очередь, позволяет достоверно выявлять и картировать пространственные неоднородности почвенного покрова в пределах отдельного поля и в том числе определять причины формирования зон повышенного или пониженного плодородия.

В отличие от беспилотных данных, спутниковые данные FABDEM не фиксируют ключевые элементы мезорельефа, определяющие пространственную неоднородность почвенного плодородия в пределах поля. Поэтому данные FABDEM могут быть успешно использованы только для анализа общих эрозионно-аккумулятивных процессов – в масштабах отдельного сельскохозяйственного предприятия или более крупной территории (водосборного бассейна, административного района и т.д.).

Заключение

Разработана научно-методическая основа для пространственного зонирования агроландшафтов. Построение и анализ карт элювиально-аккумулятивных зон почв позволяет определять причины пространственной вариабельности агрохимических свойств почв и, как следствие, определять причины повышенного или пониженного плодородия.

Установлено, что для решения задач точного земледелия необходимо использовать цифровые модели рельефа (ЦМР) сельскохозяйственных угодий, полученные по беспилотным данным. Существующие в открытом доступе спутниковые ЦМР, в частности FABDEM, имеют недостаточное пространственное разрешение для решения указанных задач.

В результате проведенных исследований разработан метод построения карт элювиальноаккумулятивных зон почв. Проведено построение карт элювиально-аккумулятивных зон сельскохозяйственных угодий ОПХ “Курагинское” ФИЦ КНЦ СО РАН по беспилотным и спутниковым данным. Выполнена оценка мезорельефа сельскохозяйственных угодий по беспилотным данным. Определены зоны с различным элювиально-аккумулятивным потенциалом: зоны максимального и умеренного накопления, транзитные и элювиальные зоны.