Агролесомелиоративное картографирование и моделирование деградационных процессов на основе аэрокосмического мониторинга и геоинформационных технологий (13.07.2009)

Автор: Юферев Валерий Григорьевич

- теоретическое и методическое обоснование способов дешифрирования и компьютерного картографирования состояния компонентов;

- теоретическое обоснование и разработка адаптированных, ресурсосберегающих технологий и технических средств точного, лесомелиоративного обустройства агроландшафтов.

Методология прогнозно-динамического компьютерного моделирования основана на использовании компьютерных методов исследований и обработки данных. Для реализации методологии используется адаптированный комплекс программного обеспечения, основанный на фотограмметрической станции Талка 3.3, с применением специализированных картографических и моделирующих программ ENVI, Mapinfo, Surfer, Exel, Global Mapper и др., при помощи которых создаются математико-картографические модели ландшафтов и таблицы статистических данных по объектам исследований.

Анализ космоснимков основан на особенностях отражения света элементам ландшафта [Д. С. Орлов, Н. А. Михайлова, (1982)] и предполагает определение в качестве индикаторов их состояния соответствующей морфологии и тона изображения [Ю. Г. Пузаченко, Г. М. Алещенко, Г. С. Молчанов, (1999)].

Методология картографо-аэрокосмического динамического мониторинга агроландшафтов объединяет:

- сопряженный картографический анализ;

- диагностику современного состояния агроландшафтов на основании полевых, дистанционных методов и компьютерного картографирования;

- анализ структуры и состава агроландшафтов, природных и антропогенных деградационных процессов на основе ландшафтно-экологического дешифрирования космофотоснимков;

- обоснование и разработку критериев оценки антропогенной деградации агроландшафтов;

- составление агролесомелиоративных карт и карт состояния сельскохозяйственных угодий;

- проведение ландшафтно-типологического и лесомелиоративного районирования на основе космфотоинформации;

- разработку и составление региональных схем и локальных ландшафтных проектов противодеградационных фито-, лесомелиоративных мероприятий.

В агролесомелиоративном картографировании принята оценочная шкала экологической деградации агролесоландшафтов, включающая четыре уровня [Б. В. Виноградов, 1993]: норма, риск, кризис, бедствие.

В результате преобразования в цифровое, анализируемое изображение становится композицией растровых пикселей, чем и обеспечивается возможность его компьютерной статистической обработки. Анализ распределения пикселей дает возможность получать количественные характеристики исследуемого объекта. Для пространственной организации информации в системе мониторинга принят трехмерный подход. Он заключается в выделении на территории объекта мониторинга различного пространственного уровня (рельефа). Районирование выполняется на оцифрованной топографической карте масштаба 1:10000, 1:25000. Границы категорий земель и функциональные зоны выделяются послойно и могут быть представлены в виде отдельных изображений. В агролесоландшафтах существенными объектами мониторинга являются почва, травостой и древостой.

Установление фактического соответствия состояния структурных составляющих ландшафтов фототону изображения является задачей пиксельного анализа изображения по гистограммам. Задача выявления численного значения тона пикселей, соответствующего определенному состоянию объектов исследований, решается фотоэталонированием в процессе полевых исследований на ключевых участках. В основу методики полевого эталонирования положена разработанная Б. В. Виноградовым, (1984), К. Н. Куликом, (2004), А. С. Рулевым, (2007), А. М. Берлянтом (1997), В. Т. Жуковым, Б. А. Новаковским, А. Н. Чумаченко (1999) технология картографирования с применением комбинированного дешифрирования, включающего как полевое исследование на ключевых участках (эталонирование), так и камеральное, дистанционное дешифрирование территорий (экстраполяция).

Методика компьютерного картографирования деградации ландшафтов основана на создании картографической и топологической базы данных для региона (области), выбранной в качестве объекта исследований, которое осуществляется подбором топографических и тематических карт в оцифрованном виде и созданием электронных таблиц, для описания топологических характеристик объекта. Компьютерная обработка отобранного материала заключается в том, что отобранные карты и аэрокосмофотоснимки совмещаются в виде тематических слоев в используемых программных продуктах, например "MapInfo". В результате чего создаются тематические картографические слои, несущие необходимую информацию об объектах исследований.

Компьютерный анализ выделенных контуров, основан на исследовании распределения пикселей в выделенном контуре на космофотокарте объекта исследований. Для объектов исследований устанавливаются диапазоны фототона, по которым можно определить их экологическое состояние.

При совмещении картографической модели местности, космофотокарты и векторной модели крутизны слонов создается синтезированная модель агроландшафта с нанесенной цифровой векторной моделью склонов (рисунок 1). Моделирование осуществляется при помощи встроенного графического редактора в программах Surfer и Global Mapper по полученным в ходе исследований данным. Векторная карта протяженности и крутизны склонов наглядно показывает наиболее эрозионно-опасные участки агроландшафта.

Для наглядного отображения рельефа по имеющимся данным строится трехмерная модель рельефа. Такая модель незаменима при моделировании и прогнозирования деградационных процессов при ландшафтном планировании агролесомелиоративных мероприятий.

1 – оцифрованная топографическая карта; 2 – растровая модель ландшафта; 3 - ячеисто – узловая модель рельефа; 4 – цифровая модель углов склонов.

Рисунок 1 - Синтезированная модель агроландшафта с нанесенной цифровой векторной моделью склонов

В результате проведенных исследований отработана методика компьютерного математико-картографического моделирования агролесоландшафтов, которая включает:

- систематизированное компьютерное дешифрирование аэрокосмофотоснимков;

- обработку атрибутивных, топологических и типологических данных, полученных в результате компьютерного дешифрирования;

- создание и систематизацию математических зависимостей, определяющих статические и динамические характеристики ландшафтных объектов в пространственном и временном аспекте;

- создание цифровых тематических картографических форм являющихся наглядной моделью ландшафта;

- создание цифровой картографической модели агролесоландшафта.

При использовании трехмерных моделей исследователь получает современный инструмент для определения основных тенденций развития процессов в агроландшафтах и осуществления прогнозирования их состояния.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ В АГРОЛАНДШАФТАХ

Исследования свойств почвы на различных участках В. Л. Андрониковым, (1985), Н. А. Михайловой, (1986), В. И. Кравцовой, (2005), Б. В. Виноградовым, (1984) показали, что все почвенные горизонты являются взаимосвязанными в своем происхождении, и что свойства верхнего горизонта могут являться индикаторами свойств нижнего.

Компьютерное картографирование и моделирование деградации почв - это системный технологический процесс, объединяющий сбор и обработку цифровых данных о территориальных объектах, формирование компьютерной цифровой модели местности, ее дополнение и обновление с использованием банка картографических и аэрокосмических данных и получение по этой модели различных аналитических, графических и картографических материалов для конкретного потребителя. Определение содержания гумуса в почве на основании аэрокосмической информации осуществляется по значению фототона изображения участков поверхности. Из анализа фототона изображения образцов различных типов почв установлена взаимосвязь между значением фототона оцифрованного изображения и содержанием. Однако для дешифрирования состояния почв необходимо решать задачу по определению содержания в них гумуса по фототону изображения, в связи с чем используется график, показанный на рисунке 2.

Зависимость содержания гумуса от величины фототона для различных типов почв (таблица 1) при определенных условиях, а именно, почва находится в воздушно-сухом состоянии, углы склона не превышают 3 градусов, размеры почвенных агрегатов не менее 1 мм, может быть описана следующим уравнением:

Г= КП e-0,0276F,

где F - фототон изображения почвы, определяемый по аэрокосмическому снимку, КП - коэффициент типа почвы.

Рисунок 2 – Определение содержания гумуса по величине фототона изображения (экспериментальные данные и теоретические предпосылки)

Таблица 1 - Значения коэффициентов КП по типам почв

Почвы КП

Черноземы обыкновенные 65,78

Каштановые суглинистые 57,40

Светло-каштановые супесчаные 45,75


загрузка...