Исследование загрязнения почв. Оценка свойств растительного покрова

контрольная работа

2. Дистанционные методы в исследовании растительного покрова, его состояния и продуктивности

Достижения науки и техники на современном этапе развития общества объективно способствуют более эффективному решению природоресурсных задач. В этой связи открываются также инновационные возможности для развития производства растениеводческой продукции. В сельском хозяйстве так же, как в других сферах человеческой деятельности, идет постоянный поиск новых технологий, позволяющих улучшить процесс производства продуктов и сырья. Развитие компьютерной индустрии, появление на рынке прецизионной сельскохозяйственной техники, оборудованной приемниками глобальной системы позиционирования (ГСП), всевозможными датчиками и бортовыми компьютерами с соответствующим программным обеспечением, а также возможность использования географических информационных систем (ГИС) для обработки и визуализации пространственно-атрибутивных данных привели к появлению новой концепции, получившей название точное земледелие Точное сельское хозяйство (Precision Agriculture). Под общей редакцией Д. Шпаара, А. Захаренко, В. Якушева. СПб - Пушкин, 2012. 397 с..

Точное земледелие (ТЗ) позволяет наилучшим образом реализовать стратегию планирования и оперативного дифференцированного управления ресурсосберегающим производством растениеводческой продукции с учетом выявленных количественных закономерностей, характеризующих биологическую специфику культур и сортов, локальных условий почвенного питания растений и микроклиматических особенностей территории их произрастания. Технологии ТЗ справедливо относят к высоким технологиям, так как они, кроме ресурсосбережения, обеспечивают достижение близкой к биологическому потенциалу урожайности сельскохозяйственных культур с высоким качеством получаемой продукции при минимальном загрязнении окружающей среды.

Методология ТЗ во многом построена на оценке пространственно-неоднородных агроландшафтов и приспособлении системы хозяйствования к выявленной неоднородности конкретных полей. Так, для изучения самой пространственной неоднородности, ее количественного описания и выделения границ изменчивости на заданной территории используются различные технические и математические методы. В частности, для обеспечения высокоэффективного точного управления необходимо располагать сведениями о пространственной структуре управляемых показателей, об основных тенденциях и трендах наблюдаемых пространственных изменений, статистической связности (коррелированности) значений варьирующихся показателей.

Данные задачи, а также многие другие (выбор сетки опробований, установление оптимальных интервалов пространственного осреднения и сглаживания, оптимальная интерполяция и т.д.) могут решаться на основе методов геостатистики и ее главного инструмента - вариаграммного анализа. Однако данный подход имеет объективный недостаток, который заключается в том, что все выводы делаются на основе значений изучаемого варьирующегося показателя почвы или посева, полученного в результате дискретного отбора образцов на заданной территории. Свойства таких объектов столь сложно и непредсказуемо меняются в пространстве, что практически не могут быть описаны никакими детерминированными зависимостями. Поэтому в мировой науке активно разрабатываются приемы непрерывного измерения в системе ТЗ важнейших технологических показателей почвы и посевов с помощью современных методов физики дисперсных сред и различных сенсоров (оптические, радиометрические, электромагнитные и др.). Одним из перспективных подходов для сплошной (площадной) оценки состояния и вариабельности свойств растительного покрова и почвы является комплекс средств и методов дистанционного зондирования земли (ДЗЗ).

За рубежом данные ДЗЗ достаточно давно и успешно используются для решения различных задач, в том числе сельскохозяйственных. Материалы ДЗЗ формируются без непосредственного контакта с изучаемым объектом. При помощи специальных приборов регистрируются отражаемые и излучаемые земной поверхностью электромагнитные волны, в основном это излучения в оптическом и радиолокационном диапазонах. Особенно широко применяются датчики, использующие спектральный анализ и измеряющие различия в отражении и абсорбции солнечного света растительной массой и почвой. На основе комбинации значений яркости в определенных каналах, информативных для выделения исследуемого объекта и расчета по данным значениям «спектрального индекса», строится изображение, соответствующее той или иной величине индекса в каждом пикселе, что и позволяет выделить исследуемый объект и оценить его состояние.

Важно отметить, что при анализе неоднородностей по данным аэрофотоснимков полей с большой площадью возникает проблема выделения соответствующих границ. По данным аэрофотоснимков возможно дешифрирование в автоматическом режиме, но указанный метод дает только территориальное распределение неоднородностей без объяснения биологических (агро) причин разделения площади на некоторое число однородных участков, выявленных на основе коэффициентов спектральной яркости. Наличие тестовых площадок (эталонных участков) на поле позволяет проводить дешифрирование снимков с так называемым обучением, когда тестовые площадки используются как индексные контролируемые изображения, по которым с высоким процентом вероятности возможно следить за физиологическими изменениями в процессе вегетации растений на других участках поля.

На каждом из полей в контрольном варианте были заложены тестовые площадки, на которых перед посевом вносились строго определенные дозы азотного удобрения и регулярно в течение вегетационного сезона контактными и дистанционными методами проводился мониторинг состояния растений и определение их спектральных характеристик. Применение данного подхода привело к увеличению урожайности пшеницы в варианте точного земледелия с использованием тестовых площадок на 20-27% по сравнению с высокоинтенсивным вариантом опыта Якушев В.П., Лекомцев П.В., Петрушин А.Ф. 2014. Точное земледелие: опыт применения и потенциал развития // Информация и космос. № 3. С. 50-56..

Большой инновационной привлекательностью сопряженного использования данных ДЗЗ и наземных измерительных систем обладает разработанная в АФИ научно-методическая база оценки водного и теплового балансов сельскохозяйственного поля. Для указанных целей применяется автоматизированный мобильный полевой агрометеорологический комплекс (АМПАК), который осуществляет сбор, хранение, обработку и передачу по беспроводной сети метеопараметров: температуры и влажности воздуха, атмосферного давления, скорости ветра, температуры подстилающей поверхности и балансовой радиации. На основе метеорологических данных и параметров посева производится расчет суммарного испарения, нормы полива и индекса водного стресса в ре- жиме реального времени. Мобильность комплекса обеспечивает его работу на полях с различными сельскохозяйственными культурами и использование как системы наземной измерительной калибровки спутниковых данных для управления режимом орошения больших площадей. Указанная возможность АМПАКа связана с тем, что распределение радиационной температуры поверхности (данные ДЗЗ в тепловом инфракрасном режиме) для различных участков агроландшафта сильно варьируется, поэтому необходимо ее корректировать соответствующими наземными измерениями.

Делись добром ;)