Состояние и основы цифровых методов дистанционного зондирования земель (дзз) сельскохозяйственного назначения

Сельское хозяйство - одна из наиболее перспективных сфер для использования данных ДЗЗ. Сельскохозяйственные культуры хорошо отображаются на космических снимках, ничем не скрыты, одноярусны, хорошо дешифрируются как по текстуре, так и по спектральным характеристикам [9]. Разнообразие средств получения снимков с ИСЗ и уровень их обработки в разных странах формируют соответствующие задачи и методы применения ДЗЗ для обеспечения устойчивого развития сельскохозяйственных территорий [10].

Комбинированный аэрокосмический мониторинг имеет четыре основных составляющих: зондирование поверхности; мультиспектральная съемка сельскохозяйственных угодий; ежедневный мониторинг и обработка полученных данных [11]. Результаты космической съемки позволяют использовать их как для решения комплексных задач управления сельскохозяйственными территориями, так и в узкоспециализированных направлениях, с помощью которых можно контролировать сроки и качество проведения основных агротехнических работ, оптимизировать управление сельскохозяйственным производством и предприятием [12].

Помимо космической съемки, существуют и другие технологии дистанционного зондирования: традиционная аэросъемка, а также съемка с беспилотных летательных аппаратов, которые в настоящем обзоре не рассматриваются, так как этим вопросам посвящен отдельный обзор ФГБНУ «Росинформагротех» (2020 г.).

Точная и своевременная информация о состоянии посевов и почвы, оценка качества и количества будущего урожая, прогноз цен на аграрную продукцию оказывают существенное влияние как на экономику отдельного хозяйства, региона, так и мировую торговлю в целом [9].

По космоснимкам выполняют инвентаризацию и картографирование земельных угодий на основе международной классификации использования земель, а снимки высокого разрешения применяют для ведения земельного кадастра. При систематической повторяемости съемок проводят анализ динамики развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности. Например, зная, как меняется спектральная яркость растительности в течение вегетационного периода с учетом сельскохозяйственного календаря для разных культур, можно по тону изображения посевов судить об их агротехническом состоянии и составе культур. Возможность определения состава культур и площадей под ними делает снимки объективным источником сельскохозяйственной статистики.

Информация со спутников может быть использована для идентификации и учета площадей посевов, прогноза урожайности культур, оценки состояния посевов, сбора информации о дефиците элементов питания и распространении вредителей и болезней с целью обеспечения дифференцированного внесения удобрений и СЗР, определения площадей паров, контроля севооборотов и качества проведения работ, определения площадей вымерзания культур, площадей пастбищ и др. [11].

В настоящее время имеется множество спутников, осуществляющих дистанционное зондирование Земли с пространственным разрешением от 0,3-0,5 м до 1 км. Преимущества подобных снимков в том, что они охватывают большие территории [10-11, 13].

Необходимо отметить, что методы изучения Земли из космоса относят к высоким технологиям не только в связи с использованием спутниковых систем, сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с новым подходом к получению и интерпретации результатов измерений, которые постоянно развиваются.

Картографирование и обследование сельскохозяйственных земель с целью сбора информации и статистики по сельскохозяйственным культурам, пастбищным угодьям и другим направлениям, связанным с оценкой использования сельскохозяйственных ресурсов, проводятся во всем мире. Собранная информация необходима для реализации эффективных управленческих решений, планирования и распределения ограниченных ресурсов между различными секторами экономики.

Задачи по получению достоверной информации для практики обработки почвы (точное земледелие), о состоянии земель и посевов, их изменениях во времени, прогнозу развития этих изменений и разработке мер для предотвращения продовольственной катастрофы с применением спутниковых систем решаются в разных странах, в том числе в России, США, Канаде, странах ЕС, где созданы свои стратегии ДЗЗ с учётом имеющегося экономического, научно-технического и природно-ресурсного потенциала [10].

К наиболее известным действующим системам сельскохозяйственного мониторинга можно отнести проект MARS (The Monitoring of Agriculture with Remote Sensing Объединенного исследовательского центра Еврокомиссии по мониторингу сельскохозяйственных земель), который позволяет определять площади посевов и урожайность сельскохозяйственных культур, начиная с уровня государств и регионов и заканчивая отдельными фермами. Результаты расчетов используются для налогового контроля за производителями продукции, выработки гибкой системы цен и квот, планирования экспортно-импортных операций и других мероприятий. Аналогичная система применяется Министерством сельского хозяйства США [14].

Минсельхоз России совместно с заинтересованными организациями готовит ежегодные доклады по различным аспектам состояния и использования земель СХН в Российской Федерации. Приводится аналитическая информация, направленная на выявление основных тенденций формирования политики рационального использования земель, обеспечения повышения производства сельскохозяйственной продукции при сохранении плодородия сельскохозяйственных угодий, а также структура и динамика использования земель СХН, возможности использования результатов спутникового мониторинга земель СХН в практике информационного обеспечения задач управления сельскохозяйственным производством [15-18]. Однако системы, аналогичной MARS, в России пока нет.

Головной организацией Госкорпорации «Роскосмос» по приему, обработке и распространению информации дистанционного зондирования Земли является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) холдинга «Российские космические системы» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»). НЦ ОМЗ выполняет функции наземного комплекса планирования, приема, обработки и распространения космической информации с российских космических аппаратов ДЗЗ. В настоящее время российская орбитальная группировка дистанционного зондирования Земли состоит из космических аппаратов серий «Ресурс-П», «Канопус-В», «Метеор-М» и «Электро-Л» [19].

Перечень приоритетных направлений и решаемых задач в сфере сельского хозяйства с применением данных ДЗЗ постоянно расширяется. В настоящее время к таким задачам относятся [7, 20]:

• картографирование сельскохозяйственных угодий и прилегающих территорий, создание и актуализация карт сельскохозяйственных земель, в том числе неучтенных обрабатываемых земель;

• мониторинг изменения границ посевных площадей;

• мониторинг состояния посевов на основе расчета вегетационных индексов;

• оценка продуктивности и прогноз урожайности сельскохозяйственных культур;

• картографирование характеристик почвенного покрова земель сельскохозяйственного назначения, уточнение и обновление существующих почвенных и агрономических карт на основе материалов актуальной космической съемки;

• выявление участков деградации и проградации земель сельскохозяйственного использования;

• оценка водного стресса посевов сельскохозяйственных культур;

• оперативное управление орошением посевов сельскохозяйственных культур;

• планирование и мониторинг агротехнических, противоэрозионных и других мероприятий, связанных с сельскохозяйственным производством и др.

Доступ к данным ДЗЗ и аналитике по ним открыт в 2017 г. в рамках федеральной программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Данные в цифровой форме в значительной степени расширяют возможности космической отрасли по предоставлению услуг дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения.

Разработаны технологии и методики использования данных ДЗЗ, которые позволяют предложить уникальные решения для внедрения новейших практик оценки и использования ЗСН, предупреждения чрезвычайных ситуаций, устранении их последствий и др.

Постановлением Правительства Российской Федерации от 12 июня 2008 г. № 450 «О Министерстве сельского хозяйства Российской Федерации» на Минсельхоз России возложены полномочия по осуществлению государственного мониторинга и использования земель сельскохозяйственного назначения. Приказом Минсельхоза России от 24.12.2015 г. № 664 утвержден «Порядок осуществления государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения», результаты которого, полученные в том числе на основе ДЗЗ, включались в государственную информационную систему «Функциональная подсистема «Электронный атлас земель сельскохозяйственного назначения» (ФГИС ФП АЗСН). В качестве картографической основы для ФГИС ФП АЗСН использовались данные с российских космических аппаратовс «Ресурс-П» (срок службы закончился в 2018 г.) и «Канопус-В» [15, 18, 21-22].

Комплекс спутников «Канопус-В» состоит из пяти космических аппаратов. Пространственное разрешение снимков в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах составляет около 12 м, однако благодаря наличию одновременных снимков в панхроматическом режиме и использованию функции pan-sharpening пространственное разрешение можно довести до 2,7 м.

Для решения различных задач комплексной оценки сельскохозяйственных угодий ФГБУ «Аналитический центр Минсельхоза России» использует открытые спутниковые данные космических аппаратов «Landsat-8» и Sentinel-2», имеющие широкую полосу захвата и периодичность съемки 16 и 5 дней соответственно.

Использование материалов космической съемки отечественных аппаратов и открытых данных зарубежных спутников позволяет оперативно решать задачи по инвентаризации земель сельскохозяйственного назначения и контролю качества севооборотов [18].

Развитием ФГИС ФП АЗСН является разработанная Минсельхозом России Единая федеральная информационная система о землях сельскохозяйственного назначения и землях, используемых или предоставленных для ведения сельского хозяйства в составе земель иных категорий (ЕФИС ЗСН), которая введена в эксплуатацию приказом Минсельхоза России от 2 апреля 2018 г. № 130 [23].

Система предназначена для информационной поддержки принятия управленческих решений на основе государственного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и его результатов, включающего сбор, хранение и обработку пространственных, атрибутивных, графических данных, описывающих местоположение, качественные и количественные характеристики сельскохозяйственных земель независимо от форм собственности, а также иных сведений, предоставляемых федеральными государственными бюджетными учреждениями, подведомственными Минсельхозу России, и поступающих в систему от федеральных органов исполнительной власти, органов власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления в порядке информационного взаимодействия.

ЕФИС ЗСН обладает более развернутыми функциональными возможностями в части анализа данных и значительно более расширенным тематическим наполнением, обеспечивающим переход к задачам инвентаризации и оценки состояния сельскохозяйственных культур с учетом сведений о сельхозтоваропроизводителях. Кроме того, для решения этих задач предусмотрено широкое применение данных дистанционного зондирования с космических и летательных аппаратов [17].

Дистанционное зондирование Земли [англ. термин - Remote Sensing of Earth] - это наука и совокупность технологий, с помощью которых получают, обрабатывают и интерпретируют информацию о различных объектах земной поверхности без прямого физического контакта с этой поверхностью, посредством измерения отраженных или излученных электромагнитных волн в разных частях диапазона солнечной энергии а также излученной тепловой энергии (электромагнитного излучения) от земной поверхности, которое осуществляется в автоматическом режиме с помощью сенсоров, расположенных на орбитальных спутниках планеты. Общий принцип работы технологий ДЗЗ приведен на рис. 1 [24].

Электромагнитное излучение, испускаемое земными объектами разной температуры, является в большинстве случаев длинноволновым (до 1 мм). Часть такого излучения проходит через атмосферу и может быть зафиксирована инфракрасными тепловыми датчиками, а другая задерживается в атмосфере. Именно такая длинноволновая радиация, регистрируемая сенсорами, и предоставляет информацию о тепловых характеристиках объектов на земной поверхности. В частности, в агрономии и орошаемом земледелии такого рода данные могут быть использованы для оценки составляющих суммарного испарения с поверхности растительного покрова, трендов их изменения, а также анализа водного стресса орошаемых посевов сельскохозяйственных культур [25, 26].

Рис. 1. Общий принцип работы технологий ДЗЗ A - источник электромагнитной радиации (Солнце); B - прохождение солнечной радиации через атмосферу при взаимодействии с ней к земной поверхностью; C - отражение и испускание электромагнитного излучения от земной поверхности; D - фиксирование отраженной и испущенной энергии сенсором орбитального спутника и ее сохранение в специальном формате; E - передача и первичная обработка полученных данных; F - анализ данных (обработка полученных данных в соответствии с поставленными целями), интерпретация полученных результатов; G - конечное применение полученных результатов (разработка картограмм, анализ пространственных данных (геоданных), принятие решений и др.)

Тепловой инфракрасный диапазон расположен за видимой, ближней и средней инфракрасной частями электромагнитного спектра (3-1000 мкм). При дистанционном зондировании Земли из космоса прием теплового излучения ведется только в участках спектра, соответствующих окнам прозрачности атмосферы (рис. 2) в диапазонах 3,0-5,0 и 8,0-14,0 мкм [27].

Рис. 2. Окна прозрачности атмосферы

В диапазоне 8,0-14,0 мкм озоновый слой земной атмосферы (O₃) поглощает большое количество теплового излучения с длиной волны от 9,2 мкм до 10,2 мкм. Поэтому спутниковые системы инфракрасного теплового зондирования регистрируют данные только в промежутках 8,0-9,2 мкм и 10,5-12,5 мкм для исключения этого участка поглощения электромагнитных волн.

Важным параметром, учитываемым при дистанционном изучении поверхности, является излучательная способность объектов окружающего мира - горных пород, почвы, растений, воды и т.д., обладающих некоторыми свойствами, которые обусловливают различную интенсивность излучения разных объектов при одинаковой температуре. Эти различия заложены в основу понятия излучательной способности и являются причиной невозможности непосредственного определения температуры объектов по тепловым снимкам.

Два объекта земной поверхности могут иметь абсолютно одинаковые кинетические температуры, но при этом характеризоваться различной интенсивностью теплового излучения, фиксируемой методами дистанционного зондирования, в силу различий значений их излучательной способности. Излучательная способность объектов, определенная по снимкам, может зависеть от определенного набора факторов, относящихся как к свойствам объектов, так и к особенностям получения данных (цвет, шероховатость поверхности, содержание влаги, спрессованность материала, длина волны и др.).

Излучательная способность абсолютно черного тела принимается за единицу, а для всех реальных объектов она лежит в пределах между 0 и 1. Например, излучательная способность воды - 0,92-0,98; почвы: сухой суглинистой - 0,92, влажной - 0,95; растительности: сомкнутого покрова - 0,98, разомкнутого - 0,96; травы - 0,97.

Человеческий глаз воспринимает очень малую часть электромагнитного излучения, называемую видимым диапазоном электромагнитного спектра, который находится в интервале от 0,38 до 0,73 мкм. Приборы дистанционного зондирования, сенсоры могут принимать излучение в существенно более широком диапазоне электромагнитного спектра и таким образом предоставлять колоссальные объемы информации о состоянии окружающей среды. Основная проблема состоит в нахождении соответствующих закономерностей, связывающих данные результатов ДЗЗ с исследуемыми процессами, а также разработке соответствующих алгоритмов, позволяющих получать из соответствующих данных ДЗЗ требуемую информацию [9, 28].

По отношению к источнику энергии все дистанционные методы можно разделить на пассивные и активные. При использовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал собственного источника энергии (лазера, радиолокационного передатчика и т. д.) и регистрирует его отражение. Чаще используются пассивные методы дистанционного зондирования, основанные на регистрации отраженной от поверхности объектов солнечной энергии или собственного электромагнитного излучения участков поверхности. При пассивном ДЗЗ из космоса используется участок электромагнитного спектра в диапазоне длин волн от 0,25 мкм до 1 м. Этот широкий участок спектра принято подразделять на ряд диапазонов:

• 0,25-0,4 мкм - ультрафиолетовый;

• 0,4-0,7 мкм - видимый;

• 0,7-1,3 мкм - ближний инфракрасный;

• 1,3-3 мкм - средний инфракрасный;

• 3-1 000 мкм - дальний, или тепловой инфракрасный;

• 1 000 мкм - 1 м - миллиметровый и микроволновый участки радиодиапазона. Этот диапазон используется в пассивных СВЧ (сверхвысокочастотных) системах дистанционного контроля, остальные - в пассивных оптико-электронных и оптико-механических системах.

В сельском хозяйстве данные, полученные в этом диапазоне, используются для оценки влажности поверхностного слоя почвы [29].

Фонд сырых данных и продуктов, полученных на основе ДЗЗ, обширен и включает в себя материалы, полученные в различных диапазонах электромагнитного спектра с разным пространственным разрешением. В табл. 1 представлены технические характеристики и область применения некоторых спутниковых систем, активно используемых для мониторинга земель сельскохозяйственного назначения [6, 30].

Таблица 1

Системы дистанционного зондирования, используемые для оценки состояния сельскохозяйственных земель

Полученные изображения позволяют определить площади и состояние посевов сельскохозяйственных культур, сделать прогноз урожайности, оценить степень истощения земель, а на основе этого разработать и реализовать планы природно-восстановительных работ, оптимизировать использование земельных ресурсов, удобрений, СЗР и др.

Источник: Буклагин Д.С., Мишуров Н.П., Балабанов В.И., Зейлигер А.М., Петухов Д.А. Цифровые технологии оценки, планирования и прогнозирования использования земель сельскохозяйственного назначения: аналит. обзор – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 92 с., страница 3-16