Волков А.Г., выпускник Лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета (С(А)ФУ), г.Архангельск, e-mail: jonlordeg@rambler.ru, web: www.narfu.ru/lti
The planning of soil investigation using GIS technology
GIS are widely used in soil investigation around the world. Unfortunately up-to-date Russian science has certain time-lag in this field. One example of GIS application in soil studies has been described in this article. The planning of soil investigation is an important step in studying the structure of soils, and the use of geoinformation systems greatly simplifies the work. The project deals with study of soil cover within Ilas river basin in Arkhangelsk region (North of the European part of Russia). Digging points have been placed according to 3D terrain model, slope, aspect, and some other parameters.
«Почвообразование представляет один из следов…беспрерывного
процесса эволюции жизни на земной поверхности»
В.Р. Вильямс
Роль почвенного покрова велика и многогранна. Являясь одним из основных элементом экосистемы Земли, почва оказывает комплексное действие на все её компоненты. Следует понимать, что способность потреблять и накапливать ресурсы обеспечивает постоянный прогресс человеческой цивилизации. Например, 98,5% всех продуктов питания человек получает от почвы за счет уникального, присущего только ей свойства – плодородия. Поддержание биоразнообразия, концентрация энергии, формирование состава атмосферы, регуляторная, санитарная, инженерная и эстетическая функции заставляют нас задуматься о необходимости проведения разносторонних почвенных исследований.
В то же время, применительно к нашим современным условиям, тот факт, что финансирование российской науки прибывает далеко не на самом высоком уровне, никого уже не удивляет. Тут бессмысленно приводить какие-либо цифры, поскольку они не всегда являются объективными, да и, наверно, не правильно будет оперировать абсолютными числами в нашем относительном мире. А речь, кстати, далее пойдет именно о снижении материальных, и не только, затрат при почвенных исследованиях. Как сказал Николай Иванович Пирогов: «Где господствует дух науки, там творится великое и малыми средствами».
Почвенные исследования включают в себя анализ двух основных почвообразующих факторов – рельефа и растительности – и состоят из двух этапов: полевого и камерального.
В основе дифференциации почвенного покрова лежит утверждение о решающей роли рельефа и его морфометрических характеристик. Экологическое значение рельефа обусловлено влиянием топографических факторов, таких как экспозиция и крутизна склонов, расчлененность рельефа, относительная и абсолютная высота. Не менее важным элементом почвообразования является растительность со своим ботаническим составом и количеством опада. Можно выделить ряд косвенных факторов, так или иначе связанных с почвообразованием: освещенность, температура, влажность почвы и воздуха, почвенный сток и, конечно, материнская горная порода.
Одной из основных задач полевого этапа почвенных исследований является выбор мест отбора проб, так называемых – точек копания. Сейчас для этого приходится неоднократно выезжать на место обследования с целью детального изучения местности. А на подготовительном этапе проводится анализ топографических карт. На топооснову, используя дедовские методы, исследователь наносит данные об экспозиции и крутизне склонов, заранее их рассчитывая. Затем он примерно намечает места точек копания, после чего выезжает на местность, где визуально оценивает правильность теоретического заложения и, при необходимости, корректируя их. Это весьма длительный процесс, и не трудно подсчитать, каким затратным делом это обернется.
С появлением и развитием геоинформационных технологий (ГИС) стало возможным решать некоторые из перечисленных и многих других задач, что называется, не отходя от кассы. Применение ГИС заметно упрощают и ускоряет процесс проведения почвенных исследований как на камеральном, так и на полевом этапах. Возможность точно смоделировать анализируемую поверхность позволяет существенно сократить сроки и объемы работ и, как следствие, материальные затраты.
Суть методики заключается в последовательном создании точной 3D модели рельефа, вычислении экспозиции и крутизны склонов, расчёте освещенности, определении закономерностей почвенного стока и наложении на такую модель космического снимка местности, отражающего характер растительности. В результате мы получаем широкие возможности по анализу территории и выбору мест отбора проб, после чего последует полевой этап, основанный на надежных материалах камеральной обработки и, вследствие этого, значительно более простой и продуктивный.
На основе такой методики в среде ArcGIS был реализован проект по исследованию участка вдоль реки Илас (рис. 1).
 |
 |
 |
 |
Рис. 1. Район исследований в бассейне реки Илас. (Коллаж из 4-х рисунков)
Для начала была подготовлена топооснова, содержащая изолинии рельефа. Карта была очищена от избыточной для наших целей графики, была повышена ее контрастность, и она была переведена в бинарный режим отображения. Далее карта была зарегистрирована в приложении ArcMap в горизонтальной проекции Меркатора и вертикальной – балтийской, координатная система WGS 1984. После привязки с помощью модуля ArcScan была проведена векторизация изолиний в заранее созданный слой полилиний. В атрибутивной таблице слоя, в столбце «Z» указывалась абсолютная высота изолинии. На основе векторного слоя изолиний средствами модуля 3D Analyst была построена цифровая модель рельефа в виде трехмерной многогранной поверхности нерегулярной триангуляционной сети TIN. Затем методом Кригинга была сформирована поверхность GRID, представляющая собой матрицу равных квадратных ячеек с присвоенными им значениями положения и высоты (рис 2.). Именно GRID дает более верную картину для вычисления уклонов.
Рис. 2. 3D модель местности.
Одновременно с этими работами велась подготовка космоснимка.
В приложении ArcScene космоснимок был наложен на TIN поверхность. В 3D режиме очень наглядно представляется рельеф, вкупе с растительностью, представленной на космоснимке; это позволяет полноценно проанализировать особенности местности. Для большей наглядности на него были нанесены грунтовые дороги, трасса федерального значения М8, а также некоторые постройки. Соблюдая все принятые в почвоведении правила и принципы размещения точек копания, в необходимых местах были проставлены специальные маркеры, по которым извлечены координаты (рис. 3). На выбор мест отбора проб повлияли как общая картина местности, так и созданные на основе GRID карта уклонов (рис 4.) и модель экспозиции склонов. С точки зрения почвоведения, большую роль играет увлажнение территории и почвенный сток, формирующие гидроморфные или автоморфные почвы. Для более тщательного анализа инструментарий ArcGIS предоставляет ряд возможностей: моделирование процесса водного стока по рельефу с отображением мест скопления определенного количества влаги, поиск кратчайшего пути между заданными точками, расчет освещенности и др. Также возможно создание геоморфологического профиля по заданной линии.
Рис. 3. Расположение точек копания на местности.
Рис. 4. Карта уклонов и геоморфологический профиль.
Зная координаты выбранных с помощью ArcGIS точек копания, не составило труда найти их местоположение на местности и выполнить запланированный комплекс полевых работ.
Подводя итог, хочется отметить, что интенсификация производства и его рационализация в ближайшее время сыграют решающую роль в развитии науки и техники, впрочем, как и всего хозяйства. Сфера почвоведения в нашей стране пока лишь начинает принимать инновационные ГИС-технологии в свой арсенал средств информационного обеспечения. В то же время результаты представленного исследования наглядно демонстрируют потенциал ускорения почвенных исследований и снижения их материальных затрат за счет применения современных инструментов подготовки и анализа массивов данных. Реализация этого пусть и достаточно частного, но методически востребованного в данной области проекта стала возможной только благодаря постоянно развивающимся и совершенствующимся ГИС-технологиям, в данном случае это ПО ArcGIS компании Esri.
Основные результаты выполненного проекта заключаются в следующем:
- создана 3D модель исследуемой местности с наложенным на неё космоснимком и другими тематическими данными.
- произведен расчет крутизны и экспозиции склонов, проведена оценка растительности, поверхностного стока и освещенности.
- оформлена полноценная, завершенная модель местности с расставленными точками копания, то есть создана базовая основа для качественного выполнения запланированных исследований.
Таким образом, достаточно ясно вырисовывается эффективность применения геоинформационных технологий как в теоретическом, так и в практическом приложениях при изучении почв. Следует отметить, что возможности применения ГИС для сбора, анализа, моделирования и наглядного представления данных в почвоведении далеко не исчерпываются описанными выше наработками.
