Спосіб дистанційного (оперативного) визначення ділянок для моніторингу ґрунтів на ерозійно небезпечних землях

Реферат: Спосіб дистанційного (оперативного) визначення ділянок для моніторингу ґрунтів на ерозійно небезпечних землях включає використання даних космічної багатозональної зйомки у видимій та ближній інфрачервоній частині спектра. Створення та аналізування за допомогою геоінформаційних систем різницевих спектрозональних зображень, які отримано за різночасовими космічними знімками та створення карти яскравостей ділянок поверхні ґрунту, що зазнали найбільших змін з часом. Додатково проводять кількісну оцінку ерозійної небезпеки земель за морфометричним аналізом лінійних форм ерозії під час дешифрування та конкретизують території, для яких характерне підвищення ризику прояву ерозійного процесу та отримують об'єктивні експертні оцінки щодо ерозійної небезпеки земель сільськогосподарського призначення. UA 96937 U (12) UA 96937 U UA 96937 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Корисна модель належить до ґрунтознавства та географії ґрунтів, і може бути використана у сільському господарстві та землекористуванні для вирішення питань організації системи моніторингу ґрунтів (обґрунтування вибору територіальних об'єктів спостереження, оптимізація їх кількості, винос та закріплення їх в натурі), формування та підтримання на сучасному рівні системи оперативної інформації про стан ґрунтового покриву (ҐП), зокрема за змінами основних ґрунтотворних процесів та режимів ґрунту на ерозійно небезпечних землях. Відомо спосіб точкового аерокосмічного моніторингу динаміки гумусового стану ґрунтів, який включає стандартизацію технічних та природних умов зйомки шляхом приведення до єдиного коефіцієнта контрастності лінійної ділянки характеристичної кривої зв'язку оптичної щільності фотографічного зображення з коефіцієнтом відбиття, а також врахування просторово-часової неоднорідності фотометрованої на знімку ділянки ґрунтової поверхні [Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг гумусового состояния почв // Почвоведение. - 1988. - № 4. - С. 3848]. Цей спосіб включає двоступеневу послідовність аерокосмічної індикації властивостей ґрунтів. Спочатку на ключових ділянках складається банк градуйованих кривих залежності коефіцієнта відбиття або оптичної щільності фотографічного зображення з вмістом гумусу для усіх груп ґрунтів дослідженого району. Потім одночасно з аерокосмічною зйомкою отримують характеристичні криві зв'язку оптичної щільності зображення з коефіцієнтом відбиття поверхні ґрунту в фотоактиничному спектральному інтервалі для ключових ділянок, для яких було проведено польове спектрофотометрування та відбір проб ґрунту для визначення вмісту гумусу. При цьому часові відміни визначаються шляхом порівняння знімків, які отримано в різні роки, але в ті ж самі агрофенологічні фази. Недоліком цього способу можна вважати складне поєднання польового спектрофотометрування та співставлення різночасових знімків ґрунтової поверхні для детального врахування просторово-часової неоднорідності зображення, що загалом ускладнює хід робіт, знижує оперативність та й об'єктивність початкового визначення місцезнаходження ключових ділянок, які зазнали найбільших змін за даними дистанційного зондування (ДЗ), що унеможливлює застосування цього способу широким колом фахівців екологічної сфери. Відомо спосіб кількісної оцінки інтенсивності ерозійних процесів, який складається з дистанційного морфометричного аналізу лінійних форм ерозії за даними аерофотозйомки [Афанасьева Т.В. Использование аэрометодов при картировании и исследовании почв. - М.: Изд-во МГУ, 1965. - 159 с.; Методические рекомендации по применению материалов аэрофотосъёмок для исследования и расчёта характеристик водной эрозии почв. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 110 с.]. Важливим показником, що визначає розвиток лінійних форм є густина розчленування поверхні, під якою розуміють суму довжин лінійних форм ерозії по відношенню до одиниці площі [Берлянт A.M. Картографический метод исследования. - М.: Издво МГУ, 1978. - 257 с.]: l , D P де D - густина розчленування поверхні; l - довжина лінійної ерозійної форми; P - одиниця площі території. При цьому, швидкість зростання густини розчленування поверхні визначається за формулою (1): V 45 50 D1  D 0 , n (1) де D 0 - густина розчленування поверхні на початковий момент дослідження; D1 - поточне значення густини розчленування поверхні, n - кількість років між початковим та поточним виміром густини розчленування поверхні. Зрозуміло, що збільшення в часі густини розчленування поверхні свідчить про посилення ерозії внаслідок дії як природних явищ, так й в наслідок негативного впливу антропогенної діяльності. Використання даних різночасових аерокосмічних знімків та геоінформаційних технологій дозволяє створювати картограми густини розчленування поверхні та приросту цього показника ( D1  D0 ) за певний час та визначати території, які характеризуються найбільшими значеннями приросту густини розчленування поверхні, що слід розглядати як прояв ерозійної небезпеки. 1 UA 96937 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Недоліком цього способу можна вважати використання як інформаційної основи даних аерофотозйомки, які характеризуються незначною оглядовістю, що ускладнює оперативне оцінювання ерозійної мережі для значних за площею територій. Найближчим за технічною суттю є спосіб формування карт динаміки природного середовища на основі даних космічної зйомки, який складається у створенні та аналізі різницевих спектрозональних зображень, що отримано за різночасовими космічними знімками в цифровому форматі [Толмачева Н.И., Шкляева Л.С. Практикум по космическим методам экологического мониторинга: Учебное пособие. - Пермь: Пермский ун-т, 2006. - 132 с.]. Під час використання цього способу вибираються космічні знімки, які мають однакові або досить близькі за довжинами хвиль набори спектральних каналів; визначаються відмінності між знімками шляхом розрахунку різниці між значеннями оптичної яскравості космічного зображення території за відповідними каналами зйомки з метою визначення ділянок території, які не змінювали свої спектральні відбивні властивості з часом та мають якомога більший контраст у порівнянні з ділянками, які змінювали свої оптичні характеристики. Необхідною умовою для створення різницевого зображення є використання космічних знімків з точною географічною прив'язкою, отриманих в подібних умовах освітлення поверхні і виконаних космічними апаратами з однаковими або схожими каналами сканування. Під час аналізу різницевих зображень оконтурюють ті ділянки території, яскравість яких значно змінилася. Створення різницевих зображень може бути реалізовано в будь-якому програмному середовищі обробки зображень та представляється найефективнішим прийомом для динамічного електронного картографування в цілях розробки системи моніторингу ґрунтів. Недоліком способу є те, що в ході його застосування не передбачено використання додаткових оперативних даних або додаткових прийомів аналізу неоднорідностей космічного зображення, що унеможливлює однозначну інтерпретацію різницевого зображення та визначення просторового розподілу одного з найнебезпечніших деградаційних явищ у ґрунтовому покриву - ерозії. Для вирішення широкого спектра прикладних завдань ґрунтознавства, агрохімії та раціонального землекористування виникає потреба в оперативному аналізі та обробці новітніх матеріалів, які дозволяють визначати зі значною просторовою точністю ділянки ґрунтового покриву, які зазнали змін, в умовах відсутності додаткових інструментальних методів проведення наземних обстежень ґрунтів, що значно спрощує спостереження для широкого кола користувачів (дослідників, службовців адміністративних установ, членів громадських екологічних об'єднань тощо), знижує витрати, час та працеємність робіт, а головне значно підвищує достовірність та точність визначення ділянок земної поверхні, які характеризуються суттєвою зміною параметрів основних показників ґрунту. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення способу дистанційного (оперативного) визначення ділянок для моніторингу ґрунтів на ерозійно небезпечних землях за рахунок розширення набору методів аналізу просторових даних, що надають можливість оптимізувати процеси обробки космічного зображення під час дешифрування знімків та підвищити інформативність даних багатоспектральної космічної зйомки для моніторингу орних ґрунтів, оперативність та об'єктивність отримання експертних оцінок щодо ерозійної небезпеки земель сільськогосподарського призначення. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі дистанційного (оперативного) визначення ділянок для моніторингу ґрунтів на ерозійно небезпечних землях, який включає використання даних космічної багатозональної зйомки у видимій та ближній інфрачервоній частині спектра, створення та аналізування за допомогою геоінформаційних систем різницевих спектрозональних зображень, які отримано за різночасовими космічними знімками та створення карти яскравостей ділянок поверхні ґрунту, що зазнали найбільших змін з часом, згідно з корисною моделлю, додатково проводять кількісну оцінку ерозійної небезпеки земель за морфометричним аналізом лінійних форм ерозії під час дешифрування та конкретизують території, для яких характерне підвищення ризику прояву ерозійного процесу та отримують об'єктивні експертні оцінки щодо ерозійної небезпеки земель сільськогосподарського призначення. Вказані відмітні ознаки дозволяють розширити функціональні можливості способу та за рахунок цього одержати нові просторові дані, які дозволяють більш точно визначати контури ділянок земної поверхні, які зазнали зміни внаслідок дії ерозійного процесу, проводити аналіз їх взаємного розташування по території для обґрунтування та оптимізації закладання моніторингових ділянок на ерозійно небезпечних землях. 2 UA 96937 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Приклад здійснення способу Спосіб засновано на використанні даних архівної багатоспектральної зйомки космічного апарата (КА) Landsat, що проведені з роздільною здатністю до 28 м, в декількох діапазонах спектра (зокрема, Я1 - 450-515; Я2 - 525-605; Я3 - 630-690; Я4 - 760-900; Я5 - 1550-1750; Я7 2080-2350 нм). Дистанційне визначення місцезнаходження моніторингових ділянок (стаціонарних та/або для експедиційних маршрутів) проведено на території Куп'янського району Харківської області шляхом дешифрування космічних знімків. В геоінформаційній системі для цієї території, на кожному з використаних космічних знімків створено сітку з рівновеликими квадратами для подальшого розрахунку в кожному з них густини 2 розчленування поверхні. Після розбивки облікової мережі квадратів площею 16 км , проводиться оцифрування тальвегів усіх лінійних форм ерозії. На Фіг. 1 наведено фрагмент космічного знімку з відображенням результатів оцифрування лінійних форм ерозії, які добре дешифруються на кожному з космічних знімків. На Фіг. 2 представлено фрагмент космічного знімка з відображенням пунктиром приросту лінійних форм ерозії, за якими визначають кількісні значення приросту довжини лінійних форм ерозії, обчислюють загальну довжину її лінійних форм для кожної з чарунок облікової мережі. На основі отриманих в такий спосіб даних створюється картограма густини розчленованості рельєфу, наприклад за період з 1983 до 2014 років, що представлена на Фіг. 3. Аналіз представленої картограми дозволяє визначити ділянки поверхні, які характеризуються найбільшими значеннями показника густини розчленування поверхні, зокрема квадрат С6. Надалі саме для цієї ділянки розглядаються усі наявні космічні знімки та проводиться розрахунок складного зонального відношення щодо пошуку полів, які знаходяться в оптимальних умовах знімання (відкрита поверхня ґрунту). Для побудови різницевих зображень ґрунтової поверхні використовують зображення одного з вибраних полів, яке відзняте у ближньому інфрачервоному каналі сканування. В результаті отримано два різницевих зображення - з 1986 до 2003 років (Фіг. 4) та з 2003 до 2014 років (Фіг. 5). Аналіз першого різницевого зображення дозволяє встановити суттєве підвищення оптичної яскравості поверхні ґрунту у східній частині поля. При цьому, найяскравіший ареал має подовжену форму та розташовується у безпосередній близькості до вже існуючої лінійної форми ерозії, що розглядається як підвищення інтенсивності ерозійного процесу та формування новітнього елемента цієї лінійної форми ерозії у період з 1986 до 2003 роках. Відзначено, що до цього висококонтрастного ареалу примикає менш контрастний ареал, який має значну площу, що свідчить про прояви також площинної ерозії в межах даної схилової системи у цей період часу. Друге різницеве зображення свідчить про зменшення оптичної яскравості в межах визначеного раніше висококонтрасного виділу земної поверхні та пов'язано з накопиченням вологи на дні новоствореної ерозійної форми у весняний період (час зйомки початок травня 2014 року). В цілому ж, запропонований спосіб дозволяє встановити подовження розвитку ерозійного процесу на цій території та обґрунтувати необхідність його моніторингу на даному полі. Підтвердження коректності отриманих висновків демонструє фрагмент космічного знімку надвисокого просторового розрізнення для даного поля, який представлено на Фіг. 6, який добре ілюструє достатньо розвинуту ерозійну форму в центрі зображення. Використання морфометричного аналізу лінійних форм ерозії та аналізу різницевих зображень, проведених під час дешифрування космічних знімків високого просторового розрізнення, дозволяє отримати об'єктивну інформацію про стан ґрунтової поверхні на ерозійно небезпечних землях сільськогосподарського призначення та обґрунтувати місцезнаходження дослідних ділянок або точок відбору проб для системи моніторингу ґрунтів та оперативну розробку протиерозійних заходів, а також здійснювати прогноз розвитку ерозійних процесів на значних територіях. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб дистанційного (оперативного) визначення ділянок для моніторингу ґрунтів на ерозійно небезпечних землях, який включає використання даних космічної багатозональної зйомки у видимій та ближній інфрачервоній частині спектра, створення та аналізування за допомогою геоінформаційних систем різницевих спектрозональних зображень, які отримано за різночасовими космічними знімками та створення карти яскравостей ділянок поверхні ґрунту, що зазнали найбільших змін з часом, який відрізняється тим, що додатково проводять кількісну оцінку ерозійної небезпеки земель за морфометричним аналізом лінійних форм ерозії під час дешифрування та конкретизують території, для яких характерне підвищення ризику 3 UA 96937 U прояву ерозійного процесу та отримують об'єктивні експертні оцінки щодо ерозійної небезпеки земель сільськогосподарського призначення. 4 UA 96937 U 5 UA 96937 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6