Агролесомелиоративное картографирование и моделирование деградационных процессов на основе аэрокосмического мониторинга и геоинформационных технологий
| Вид материала | Документы |
- В. м антонов В. А. Горно-геологическая информационная система на основе геолого-маркшейдерских, 257.18kb.
- План по качеству отдела инновационных технологий и мониторинга качества обучения гму, 213.62kb.
- Картографирование территории республики камерун для целей геоэкологического мониторинга, 594.08kb.
- Темы фамилия применение геоинформационных технологий в создании муниципальных информационных, 37.02kb.
- Лекция Моделирование физических процессов, 111.71kb.
- К рабочей программе учебной дисциплины «Моделирование систем и процессов», 32.44kb.
- «Моделирование химико-технологических процессов» Общая трудоемкость изучения дисциплины, 16.26kb.
- Правительстве Российской Федерации» (Финансовый университет) Кафедра «Математическое, 246.23kb.
- Лекции по дисциплине «Социальное моделирование и программирование», 44.69kb.
- Моделирование и оптимизация систем с распределенными параметрами, 14.61kb.
ГЛАВА 7. АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАНДШАФТОВ
Разработанная технология мониторинга и картографирования деградации по данным, получаемым со спутников, дает возможность определить степень деградации, координаты зон деградации, проанализировать использование земель в агролесоландшафтах и обосновать направления разработки технологий их агролесомелиоративного обустройства. Разработка современных технологий, обеспечивающих устойчивое функционирование агроландшафтов, должна опираться на современные достижения в области дистанционного зондирования.
Одним из направлений борьбы с деградацией земель является создание противоэрозионных насаждений на склонах. В связи с этим разработана новая технология выращивания лесных насаждений на склонах и орудие для создания микротеррас [патент РФ RU 2195794]. Технология включает следующие операции: подрезание грунта на глубину, несколько превышающую глубину посадки древесных или кустарниковых растений; образование выемки полукруглой формы; подъем пласта почвы на определенную высоту; рыхление и перемешивание его с верхним гумусированным слоем; опускание взрыхленного и перемешанного объема почвы, одной частью в образованную выемку, а другой ниже по склону; формирование профиля микротеррасы. После чего на микротеррасе производится посадка лесонасаждений.
Создание агролесомелиоративных насаждений невозможно без выращивания посадочного материала. В связи с этим была поставлена и решена задача выращивания посадочного материала для аридных территорий юга Российской Федерации, разработаны технологии сбора сухих лесных плодов (семян), выращивания посадочного материала и комплекс машин для их реализации, которые защищены патентами РФ RU 2174298, 2194381, 2216899, 2240667, 2240670, 2267913, 2284679.
Предварительные расчеты показывают, что в результате внедрения предложенных технологий и технических средств затраты труда на сбор и обработку плодов сокращаются в два-три раза.
Выращивание сеянцев в лесопитомниках аридной зоны России связано с особенностями климата и недостаточным количеством влаги для продуктивного роста растений. В засушливых условиях, с целью исключения периода адаптации, целесообразно выращивать посадочный материал в непосредственной близости от места его высаживания и с применением дополнительных мер, повышающих качество посадочного материала.
На основании проведенных исследований предложена технология и конструкция комбинированного посевного агрегата, который реализует комплекс операций, предусмотренный технологией выращивания посадочного материала с использованием гидрогелей и защиты посевов воздухо-влагопроницаемым полимерным покрытием.
Применение воздухо-влагопроницаемого покрытия в сочетании со своевременным поливом (поддержанием уровня влажности почвы в пределах 0,65-0,80 от максимальной влагоемкости), позволит защитить растения от чрезмерного воздействия высоких температур и на 18-20% снизить количество поливов. Предлагаемая технология, позволяет существенно повысить качество работы, сократить затраты на выращивание посадочного материала, а применение воздухо-влагопроницаемого покрытия обеспечивает подавление сорняков в зоне между посевными строчками. При необходимости выполняется выборочная культивация по посевным строчкам для удаления единичных экземпляров сорняков.
В разработанной технологии рекомендуется применение запатентованного способа выращивания растений, предполагающего применение вырезов в покрытии в сочетании с защитными водопроводящими трубками капельного орошения соответственно изобретению [патент РФ RU 2265315], которое обеспечивает поддержание уровня влажности почвы в пределах 0,70-0,80 от максимальной влагоемкости и позволяет защитить растения от чрезмерного воздействия высоких температур
Актуальность профилактики пожаров в сосновых насаждениях не вызывает сомнения. Ежегодно от пожаров гибнут сотни гектаров насаждений созданных для закрепления песчаных массивов. В связи с этим удаление легковоспламеняющихся элементов из междурядий при помощи пневматического орудия представляется своевременной и недорогостоящей технологией, снижающий риск, как возникновения, так и распространения пожара по междурядьям.
Технология реализуется следующим образом. Воздушная струя от источника питания посредством плоского сопла направляется в сторону ряда деревьев, регулируется угол его установки для изменения направления воздушной струи по отношению к поверхности почвы. Это обеспечивает эффективный подъем пласта хвои и удаление его из зоны обработки. Далее агрегат продвигается вдоль ряда и производит технологическую операцию по перемещению опавшей хвои и частиц почвы воздушной струей из обрабатываемого ряда [патент РФ RU 2188056].
В результате исследований разработаны новые технологии и технические средства, обеспечивающие проведение агролесомелиоративных мероприятий по повышению экологической устойчивости ландшафтов и предотвращению их деградации.
ГЛАВА 8. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО ПРОГНОЗНО-ДИНАМИЧЕСКОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В АГРОЛАНДШАФТАХ
Важнейшим элементом агролесоландшафта и основой экономического благополучия хозяйствующих субъектов является почва. Поэтому дистанционная оценка экологического состояния почвы [Г. А. Сергеев, Д. А. Янтуш, (1973), В. И. Кравцова, (2005), Ю. С. Толчельников (1974), К. Я. Кондратьев, В. В. Козодеров, П. П. Федченко, (1986), В. Л. Андроников (1975)] является основой для разработки мер по сохранению и увеличению ее потенциала. Потери плодородия почв связаны в большей степени с потерями гумуса. Поэтому содержание гумуса в них может выступать экономическим критерием, служащим для определения стоимости почвы. Расчет стоимости содержащегося в почве гумуса производится по затратам на замещение его органическими удобрениями при гумификации [В. М. Кретинин, (2006)].
Применение методики расчета стоимости гумуса, предложенной в работе [Е. Ю. Шарыкин, (2006)], позволяет определить стоимость почвы в ландшафте по содержанию гумуса.
Э
кологическое состояние почв в агроландшафтах можно установить по результатам аэрокосмического мониторинга (рисунок 9), а оценку провести по формуле:где: СПГ – стоимость гумуса в почве контролируемого агроландшафта; КП – коэффициент типа почвы; f – фототон изображения участка поверхности с открытой почвой (пашня); kз- коэффициент замещения (гумификации); b – глубина пахотного горизонта, м; - удельная масса почвы, т/м3,. ЦОУ – цена 1 т органического удобрения; kЗ – коэффициент замещения (гумификации).
Выявление уровня деградации, величины и места расположения деградированных площадей позволяет создать космофотокарту распределения гумуса по полю. Это имеет большое значение, как для установления экологического состояния, так и для определения стоимости восполнения гумуса, при этом соблюдается принцип точного внесения удобрений в нужном количестве в нужное место. На основе применения рассматриваемого способа установлено, что содержание гумуса изменяется от 0,85 до 4,34%. Меньшее значение приурочено к смытым участкам поля с уклоном 2-3º. Участки с наибольшим содержанием гумуса расположены на более пологих участках поля с наименьшими уклонами и в понижениях
б
а
а – Космофотокарта распределения гумуса по контрольному участку, б - гистограммы распределения пикселей по уровням деградации
Уровни деградации
Рисунок 9 - Анализ распределения гумуса на контрольном участке пашни (Котельниково, Волгоградской области, почвы – каштановые)
Таблица 8 - Определение площадей деградированных участков пашни
| Уровень деградации | Средний фототон | Количество пикселей, шт. | Соотношение площадей, % | Кп | Гумус, % | Площадь, га |
| норма | 93,42 | 104443 | 26,59 | 57,4 | 4,36 | 37,12 |
| риск | 101,59 | 128406 | 32,69 | 57,4 | 3,48 | 45,64 |
| кризис | 109,87 | 129017 | 32,85 | 57,4 | 2,77 | 45,86 |
| бедствие | 152,58 | 30918 | 7,87 | 57,4 | 0,85 | 10,99 |
| общая | | 392784 | 100 | | | 139,61 |
Таблица 9 - Стоимость почв на участках с соответствующими уровнями деградации
| Уровень деградации | Площадь, га | Стоимость 1 га, руб | Стоимость почв,руб |
| норма | 37,12 | 418560 | 15536947 |
| риск | 45,64 | 334080 | 15247411 |
| кризис | 45,86 | 265920 | 12195091 |
| бедствие | 10,99 | 81600 | 896784 |
| Общая | 139,61 | | 43876234 |
Таким образом, применение способа оценки почв на основании разработанной формулы позволяет провести экономическую оценку почвы в агроландшафтах по результатам космического мониторинга. Такая оценка дает возможность определить как потери от снижения плодородия (уменьшения содержания гумуса) так и прибыль от его прироста.
Площадь пастбищ на Юге европейской части Российской Федерации составляет около 19 млн. га. При этом основная часть пастбищ сосредоточена в районах с наименее благоприятными для ведения сельскохозяйственной деятельности климатическими и почвенными условиями.
Д
ля определения продуктивности основных пастбищных ценозов по проективному покрытию используется уравнения в
иде:где П – продуктивность пастбищного ценоза (сухая поедаемая масса); W,P и Q коэффициенты, определяемые для каждого фитоценоза; SП –проективное покрытие, % (рисунок 10).
Н
а основании уравнений (см. таблица 5) представляется возможным рассчитать стоимость произведенной пастбищем фитомассы (СП) по результатам космического мониторинга:где продуктивность исследуемого фитоценоза определяется в соответствии с формулами, приведенными в таблице 5, а проективное покрытие определяется с учетом фототона изображения (f) по формуле Sпп = 100/1+exp [A+BF].
Исследования состояния древостоя по снимкам, получаемым из космоса, и компьютерная обработка полученной информации обеспечивают оценку состояния насаждений на момент получения информации.
Защитные лесные насаждения обеспечивают экологическую безопасность ландшафтов, замедляя процессы деградации и предотвращая экономический ущерб. В связи с этим экономическая оценка может базироваться на определения предотвращенного ущерба. А эколого-экономическая оценка насаждений может основываться на возможном уменьшении мелиоративного эффекта (иначе, на возрастании ущерба) при ухудшении их состояния.
Рисунок 10 - Космофотокарта ключевого участка с выделенными слоями для оценки деградации пастбищ на основе космоснимка 2004 г
(спутник Quick Bird) и снимка 2006 г .(спутник IRS-5)
Поэтому для оценки экономического ущерба от снижения эффективности насаждений можно использовать следующую зависимость:
У = (1-)ЭН,
где У – ущерб от снижения эффективности насаждений; ЭН - предотвращенный защитным лесным насаждением ущерб; - критерий деградации насаждения, определяемый по космофотоснимкам [26].
Экономический эффект использования аэрокосмического картографирования и мониторинга для оценки агроландшафтов складывается из экономии средств в результате сокращения объема полевых работ, где стоимость топосъемки 1 га пашни по данным 2009 года составляет более 13 тыс руб/га, а при наличии лесных насаждений резко возрастает до 75 тыс руб/га и более (например ООО "Полярная Звезда" [www.geozvezda.narod.ru]). Поэтому экономический эффект от применения картографирования по космофотоснимкам достигается не только от сокращения времени составления проектов, но и от сокращения прямых затрат на топосъемку и составляет более 50 тыс руб/га при картографировании ландшафтов с лесными насаждениями и более 3 тыс руб/га при картографировании пашни.
Таким образом, разработанная методика аэрокосмического мониторинга деградации ландшафтов обеспечивает экономически обоснованную базу для проведения проектно-изыскательских работ и работ по их обустройству.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Разработка теоретических основ прогнозно-динамического агролесомелиоративного картографирования и компьютерного моделирования процессов деградации, основанных на прогнозно-динамическом картографировании агроэкологических ситуаций, компьютерном математико-картографическом моделировании принятия решений и их реализации с использованием ресурсосберегающих технологий точной агролесомелиорации позволило вывести на качественно новый уровень систему динамического аэрокосмического мониторинга в сельскохозяйственных ландшафтах Юга Российской Федерации.
2. Разработана оригинальная методология, интегрирующая картографические, фотограмметрические и полевые методы исследований с использованием компьютерных методов дешифрирования, пиксельного анализа аэрокосмических снимков, картографирования экологического состояния и фотоэталонирования агролесоландшафтов для их оценки на основе геоинформационных технологий с послойным составлением тематических космофотокарт, с определением количественных значений параметров, характеризующих деградацию различных элементов агролесоландшафта.
3. Разработаны компьютерные технологии дешифрирования аэрокосмоснимков, основанные на применении комбинированных способов распознавания, использующие: визуальный анализ снимков с идентификацией образов по классифицированным признакам (контуру, структуре и цвету изображения), компьютерный статистический анализ распределения пикселей на изображении по каналам RGB при помощи гистограмм и полевое эталонирование характерных объектов агролесоландшафтов. Статистический анализ параметрических характеристик, определяемых по распределению пикселей, дает возможность описать реальное состояние исследуемого объекта. Выявление корреляции свойств объекта и фототона его изображения процессе компьютерного анализа распределения пикселей обеспечивает точность дешифрирования снимков и, соответственно, последующего моделирования процессов деградации в агроландшафтах. Полученные систематические данные, комплексно характеризующие объекты дешифрирования могут быть экстраполированы на ландшафты- аналоги, как в нашей стране, так и за рубежом.
4. Выявлены зависимости изменения основных параметров, характеризующих состояние компонентов агролесоландшафтов. Установлено, что фототон изображения открытых почв определяется содержанием гумуса в них и описывается экспоненциальным уравнением; анализ данных показал, что имеются устойчивые зависимости между этими группами данных. Корреляция между этими группами имеет значения от 0,888 до 0,980. Для пастбищ зависимость величины фототона изображения от проективного покрытия носит нелинейный характер и имеет верхний и нижний пределы. В связи с этим для математической модели выбрана логистическая зависимость, дающая возможность с коэффициентом корреляции не менее 0,933 описывать наблюдаемые изменения в состоянии пастбищ. Фототон полога древостоев на космоснимке зависит от его сохранности. Разработка критериев сохранности и определение диапазонов фототона по состоянию крон дает возможность автоматизировать компьютерное дешифрирование космоснимков этих объектов. Математическое описание характерных параметров ландшафтов по результатам анализа их изображения на космофотоснимках позволило разработать методологию оценки состояния пашни, пастбищ и защитных лесных насаждений.
5. Разработана методика математико-картографического моделирования деградации агролесоландшафтов на основе космофотоинформации. Картографическое представление пространственных изменений, как модель состояния ландшафтов, дает временной срез, фиксированное отражение экологической ситуации, а компьютерная цифровая модель дает возможность на основе математических уравнений осуществить моделирование и прогнозирование состояния агролесоландшафтов. Разработанная компьютерная модель агроландшафта включает: данные результатов компьютерного дешифрирования АКФ; систему математических зависимостей, описывающих характеристики и динамику ландшафтных объектов; цифровую модель рельефа и цифровую картографическую модель агролесоландшафта.
6. Разработанная система математико-картографического, прогнозно-динамического моделирования является основой для составления интерактивных цифровых тематических космофотокарт и позволяет организовать систему управления агролесоландшафтами на новом информационном уровне.
7. Разработана методика анализа агроландшафта на основе его синтезированной модели, представляющей собой цифровую модель рельефа, совмещенную с картографической моделью местности, космофотокартой и векторной моделью крутизны слонов. Эта методика позволяет проводить дифференциальный анализ крутизны склонов и определять величину уклона линии склона.
8. Компьютерное тематическое картографирование состояния агроландшафтов Волгоградской области, Республики Калмыкия, Республики Дагестан, Чеченской республики, Ставропольского края, Краснодарского края и Ростовской области с применением компьютерного дешифрирования аэрокосмоснимков позволило установить уровни деградации, выделить и определить деградированные площади сельскохозяйственных угодий, установить их точное местоположение. Полученные в результате исследований результаты позволили решить проблему оперативной, экономичной и достоверной оценки агроэкологического потенциала территорий, рассчитать возможную продуктивность агролесоландшафтов и выявить критические участки, требующие немедленного вмешательства для реконструкции и восстановления. Полученные данные позволяют определить необходимые технологии и рассчитать силы и средства для устранения последствий деградации.
9. Осуществлено теоретическое обоснование и разработаны адаптированные, ресурсосберегающие технологии и технические средства точного, лесомелиоративного обустройства агроландшафтов, такие как выращивание посадочного материала в лесопитомниках, создание устойчивых защитных лесных насаждений на склонах и профилактики пожаров в лесных насаждениях. Новизна разработок защищена 10 патентами и 1 положительным решением на выдачу патента.
10. Разработаны методические основы для эколого-экономической оценки состояния почв, пастбищ и защитных лесных насаждений по критериям содержания гумуса, проективному покрытию и сохранности полога древостоя, что дает возможность на основе аэрокосмической информации выявить стоимость этих ресурсов и определить экономическую составляющую эффективности агролесомелиоративного прогнозно-динамического картографирования деградационных процессов в агроландшафтах с использованием разработанных математических моделей их состояния.