Дистанционное зондирование земли в интересах сельского хозяйства

О перспективах использования  данных дистанционного зондирования Земли  из космоса для решения задач сельского хозяйства

Мышляков  Сергей Геннадьевич,

Ведущий специалист по тематической обработке 

данных дистанционного зондирования Земли,

Компания «Совзонд»

Данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) находят все более широкое применение для принятия управленческих решений в сельском хозяйстве. К числу наиболее приоритетных и динамично развивающихся сфер применения  данных ДЗЗ относятся космический сельскохозяйственный мониторинг, управление сельскохозяйственным землепользованием и агрострахование. Расширяя перечень приоритетных направлений, необходимо отметить ряд задач, которые решаются в сельском хозяйстве с применением данных ДЗЗ. К таковым задачам относятся:

• Картографирование сельскохозяйственных угодий и прилегающих территорий, создание опорных планов и атрибутивных баз данных. Создание и актуализация карт сельскохозяйственных земель, в т.ч. неучтенных обрабатываемых земель.
• Мониторинг изменения границ посевных площадей.
• Мониторинг состояния посевов на основе расчета вегетационных индексов.
• Оценка продуктивности сельскохозяйственных культур 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 и картографирование участков деградации земель (рисунок 1).

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

Во всем мире космические технологии прочно вошли в практику управления сельскохозяйственным производством на разных уровнях администрирования. В нашей стране технологии дистанционного зондирования Земли в сельском хозяйстве только начинают занимать положенную им нишу. Вместе с тем в России уже имеются положительные результаты использования космической съемки в сельском хозяйстве. 

Одной из лучших работающих систем подобного рода является система дистанционного сельскохозяйственного мониторинга (Monitoring of agricultural Resources, MARS), координируемая Объединенным научно-исследовательским центром при Еврокомиссии (http://mars.jrc.ec.europa.eu/mars). В составе центра функционирует Управление мониторинга сельскохозяйственных ресурсов, миссия которого заключается в обеспечении научной и технической поддержки политики Европейского Союза в области сельского хозяйства и продовольственной безопасности, основанное на агрометеорологическом сельскохозяйственном моделировании, полевых обследованиях, эконометрии, геоматике (ГИС, GPS), космическом и воздушном дистанционном зондировании Земли. В Управлении развиваются передовые направления геоматики, осуществляется поддержка земельного администрирования и многоцелевых разномасштабных методов картографирования, в первую очередь основанных на применении методов ДЗЗ, разрабатываются общие спецификации, стандарты и  инструменты управления данными. Результаты мониторинга используются для налогового контроля за производителями продукции, выработки гибкой системы цен и квот, планирования экспортно-импортных операций  и других мероприятий. Похожие системы действуют в США, КНР, Австралии, Индии и других странах.

У нас в стране разрабатывается национальная Космическая система дистанционного зондирования Земли для мониторинга земель сельскохозяйственного назначения. Работа ведется в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия (2008-2012 гг.), в которой на создание системы государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства (куда попадает и использование технологий ДЗЗ) выделено около 4,5 миллиарда рублей.

На федеральном уровне в Главном вычислительным центром (ГВЦ) Министерства сельского хозяйства  функционирует система дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного  назначения (http://agrocosmos.gvc.ru/). Научно-методическое обеспечение при создании данного ресурса осуществляет Институт космических исследований Российской Академии наук (ИКИ РАН). В самом институте разрабатывается спутниковый сервис анализа вегетации «Вега» (http://vega.smislab.ru/).

В качестве регионального примера можно привести Государственную информационную систему мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и геопортал агропромышленного комплекса Краснодарского края (http://geoportal.sovzond.ru/mcx/, рисунок 2). Положительный опыт внедрения системы космического мониторинга сельскохозяйственных земель в Краснодарском крае позволил повысить эффективность деятельности государственных органов, осуществляющих контроль за использованием земель, и обеспечить баланс социально-экономического развития муниципальных образований за счет увеличения поступления доходов в консолидированный бюджет края, вывода земель из теневого оборота и увеличения объемов производства сельскохозяйственных культур. Из космоса видно многое, причем пользователи получают объективную и актуальную информацию о реальном положении дел на каждом поле. Например, по отчетности хозяйств в 2009 г. посевная площадь одного из районов составила 35,1 тыс. га, по данным статистического учета – 35,2 тыс. га, а по результатам спутникового мониторинга – 44,7 тыс. га. Таким образом, разница составила почти 10 тыс.га. Функции контроля системы дистанционного мониторинга земель позволяют Департаменту сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края проводить гибкую политику в отношении сельхозпроизводителей и ответственных лиц административно-управленческого аппарата муниципальных районов.

Отсутствие в нашей  стране зрелых рыночных механизмов в  сельском хозяйстве, отсутствие класса фермеров как такового сдерживают интенсивное  внедрение космических технологий в аграрный сектор. Производители сельскохозяйственной продукции и руководители администраций в силу ряда причин не могут или не хотят внедрять подобные технологии у себя в хозяйствах. Речь даже не идет о развертывании систем дистанционного мониторинга в области, районе или отдельном хозяйстве, а просто о банальном использовании в своей деятельности пространственной информации, получаемой при помощи удаленных геосервисов сельскохозяйственной направленности.

В то же время необходимо отметить тенденцию, что сегодня практически все работы, так или иначе связанные с космическим сельскохозяйственным мониторингом сопровождаются созданием тематических геоинформационных проектов (созданием тематических ГИС) и тематических геопорталов. Все это способствует публичному доступу сельхозпроизводителей, фермеров и иных лиц, ответственных за принятие решений к актуальным и достоверным данным, всесторонне описывающим аспекты использования сельскохозяйственных земель.

Помимо космической съемки существуют и другие технологии дистанционного зондирования: традиционная аэросъемка, а также съемка с беспилотных летательных аппаратов. Интенсивно развиваются технологии спутникового позиционирования и навигации. Выбор того или иного метода получения информации всецело зависит от поставленной задачи. Однако данные космической съемки обладают рядом специфических преимуществ, выгодно отличающих ее от других технологий. К преимуществам использования технологий ДЗЗ в сельском хозяйстве относятся:

• Оперативность. Современные спутниковые снимки могут быть поставлены в кратчайшие сроки (вплоть до суток). При этом они поставляются заказчику в предварительно обработанном виде и не требуют дополнительной обработки для визуального восприятия и дешифрирования. Т.е. сразу после получения их легко можно интегрировать в ГИС. Возможно заранее спланировать съемку на конкретную дату или серию съемок.
• Достоверность. Снимки предоставляют нам априорно достоверную информацию, в отличие от противоречивых и не всегда соответствующих действительности данных сельскохозяйственной статистики.
• Единообразие. Снимки для мониторинга поступают как правило с одного и того же откалиброванного сенсора. Т.е. для их дешифрирования (в том числе и с применением автоматизированных алгоритмов) не требуется производить каких-либо сложных преобразований, направленных на улучшение их взаимной сопоставимости. Важным моментом является также простота фотограмметрической обработки, по сравнению с данными аэросъемки.
• Единовременность и повторяемость. Современные космические съемочные системы высокого и сверхвысокого разрешения могут осуществлять съемку с периодичностью до суток. Так, например космические аппараты RapidEye позволяют ежесуточно снимать любой участок поверхности Земли с разрешением 6,5 м.
• Пространственный охват. Ни один другой способ дистанционного получения данных не обеспечивает столь широкого пространственного охвата, сохраняя при этом высокие изобразительные качества.
• Решение прикладных задач. Наличие большого количества спутниковых систем, выполняющих съемку в видимых, инфракрасных, тепловых и радиолокационных диапазонах позволяют осуществлять мониторинг многих параметров, таких как всхожесть и созревание культур, тип культур, агротехнические мероприятия, использование земель, подверженность засухам, плодородие почвы и многих других.

При этом следует отметить, что стоимость данных ДЗЗ зачастую оказывается ниже, чем при использовании  альтернативных источников пространственных данных.

Ограничением для космической  съемки является облачность. Однако, например, при использовании радиолокационных данных, фактор облачности не является помехой – сигналы, посылаемые радаром, установленном на спутнике, не чувствительны к наличию облаков.

Безусловно, не все желаемые показатели можно прямым или косвенным  образом проследить из космоса. Поэтому, при организации систем дистанционного сельскохозяйственного мониторинга целесообразно создавать информационно-аналитические системы, основанные на использовании данных ДЗЗ, статистического учета, ГИС и веб-технологий удаленного доступа к данным. Удачным примером такого симбиоза современных информационных технологий является упомянутая выше Государственная информационная система мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Краснодарского края.

Заказ съемки, выбор спутников  определяется масштабом работ и  характером решаемых задач. Руководитель отдельного хозяйства вряд ли станет покупать снимки для инвентаризации своих полей и планирования севооборотов. Более целесообразным решением для самого нижнего уровня аграрного администрирования является заказ у специалистов комплекса работ по созданию актуальной пространственной основы (масштаба 1: 10 000) с использованием снимков сверхвысокого разрешения (менее 1 м, например со спутников Worldview, GeoEye) и получением удаленного доступа к карте полей и сельскохозяйственной инфраструктуры с «подложкой» из спутниковых снимков. Удаленный доступ с правами администрирования данных на территорию хозяйства или без него может быть предоставлен через геопортал посредством «тонкого» клиента через обычный веб-браузер. Такая картографическая основа может стать для «продвинутого» фермера или председателя не только средством планирования севооборотов, но и первым шагом к внедрению технологий точного земледелия.   

Для целей кадастрового учета  и инвентаризации земель сельскохозяйственного назначения в масштабе субъекта федерации Европейской части России целесообразно использовать панхроматическую съемку с пространственным разрешением 2-5 м (например ALOS PRISM). Такое разрешение позволяет актуализировать карты с точностью, соответствующей масштабу 1:25 000. При развертывании работ по дистанционному сельскохозяйственному мониторингу необходимы спектрозональные снимки с пространственным разрешением от 5 до 30 метров, обеспечивающие точность картографирования масштабов 1:50 000 – 1: 200 000. В качестве примеров можно привести RapidEye, DMC, Landsat. Последний вид работ достаточно трудоемок, сопряжен с организацией информационно-аналитических систем космического мониторинга и требует участия квалифицированных специалистов в области информационных технологий. В то же время эксплуатация таких систем и геосервисов, являющихся «экранами» мониторинга достаточно проста и предназначена для использования специалистами-аграриями на местах. Разумеется, что с помощью таких геосервисов возможно получение в удобной форме информации по каждому полю с данными о посевах и урожайности по годам, количеству вносимых удобрений и другими необходимыми параметрами (рисунок 3).

Отдельно следует остановиться на технологиях мониторинга сельскохозяйственных культур. Все они в той или  иной степени базируются на использовании  вегетационных индексов, самым популярным из которых является NDVI (Normalized differenced vegetation index, рисунок 4). Он основан на особенностях отражения тканями листа растительности электромагнитной радиации в красном и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Обладая космическими снимками в указанных диапазонах (а ими оснащены практически все современные съемочные системы, осуществляющие спектрозональную съемку) и проведя несложные математические расчеты можно получить изображения, по которым можно сделать ряд выводов о характере вегетации. Каждая сельскохозяйственная культура обладает собственными особенностями вегетации и характеризуется своими фенологическими фазами развития. Благодаря этому, по сезонному ходу NDVI, полученному в результате анализа разновременных снимков, удается отдешифрировать многие виды культур, выделить необрабатываемые поля и участки с открытой почвой. Кроме этого, имеется возможность на ранних стадиях выявить неблагоприятные воздействия на культурную растительность (болезни, сорняки, влияние засухи, вымокания и т.п.).

Сегодня в России все больше регионов начинают проявлять интерес  к технологиям космического дистанционного зондирования для решения сельскохозяйственных задач. Многие департаменты и министерства, как федерального, так и регионального уровней осознают необходимость финансирования проектов, связанных с применением данных ДЗЗ в аграрном секторе. Эффект от внедрения данных технологий связан с повышением осведомленности ответственных за принятие решений лиц, совершенствованием сельскохозяйственного землепользования, рациональным распоряжением финансами и материально-техническими ресурсами, уменьшением коррумпированности отрасли за счет открытой и объективной информации. Все это, в итоге, способствует формированию цивилизованных рыночных отношений в аграрном секторе и продовольственной безопасности страны.

Использованные  источники

1. Лупян Е.А. Технологии спутникового мониторинга в сельском хозяйстве России / Е.А. Лупян, С.А. Барталев, И.Ю. Савин // Аэрокосмический курьер. – 2009. - №6. – с. 47-49.
2. Савин И.Ю. Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур на основе спутниковых данных: возможности и перспективы / И.Ю. Савин, С.А. Барталев, Е.А. Лупян, В.А. Толпин, С.А. Хвостиков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – 2010. – Т.7. №3. – с. 275-285.
3. Абросимов А.В. Перспективы применения данных ДЗЗ из космоса для повышения эффективности сельского хозяйства в России / А.В. Абросимов, Б.А. Дворкин // Геоматика. – 2009. - №4. – с. 46-49.
4. Савин И.Ю. Оперативный спутниковый мониторинг состояния посевов сельскохозяйственных культур в России / И.Ю. Савин, С.А. Барталев, Е.А. Лупян // Геоматика. – 2011. - №2. – с.69-76.
5. Козубенко И.С. Государственная информационная система мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Краснодарского края / И.С. Козубенко, М.А. Болсуновский // Геоматика. – 2011. - №2. – с.56-61.