Алипбеки О.А., д.б.н, профессор, академик КазНАЕН (o.alipbeki@gharysh.kz),Прназарова А.К. (a.prnazarova@gharysh.kz) АО «Национальная компания «Қазақстан Ғарыш Сапары», г.Астана, Казахстан, web: http://gharysh.kz/
Space Monitoring of Agricultural Rice Crops within KyzylordaRegion of Kazakhstan in 2015
В данном проекте с использованием технологий геоинформационных систем (ГИС) и дистанционного зондирования Земли были реализованы следующие задачи: создание ГИС, определение посевных площадей риса и прогнозирование объема валового сбора риса на территории Кызылординской области. Для космического мониторинга сельскохозяйственных посевов риса помимо условно бесплатных космоснимков (Landsat) были использованы снимки с КА KazEOSat-2 с пространственным разрешением 6,5 м.
Создание космической отрасли Республики Казахстан расширило сферы использования космических технологий в различных отраслях народного хозяйства. После запуска космических аппаратов дистанционного зондирования Земли KazEOSat-1/2 появилась возможность более широкого использования космических снимков земной поверхности, в том числе в технологиях производства сельскохозяйственной продукции и мониторинга посевов.
В Казахстане по объемам валового сбора из всех возделываемых зерновых культур рис занимает 4-е место после пшеницы, ячменя и кукурузы. Казахстан относится к самой северной зоне рисосеяния в мире, которая ограничивается минимальной суммой положительных температур для вегетации растений. В Кызылординской области выращивается более 83 процентов риса, производимого в республике.
По заказу Комитета государственной инспекции в агропромышленном комплексе (АПК) Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан (МСХ РК) в 2015 году был проведен космический мониторинг сельскохозяйственных посевов риса Кызылординской области. С целью повышения эффективности мониторинговых исследований в их основу положены современные геоинформационные технологии (создание крупномасштабной электронной карты земель сельскохозяйственного назначения, внедрение отраслевых данных и данных земельного кадастра и.др.) и данные ДЗЗ высокого разрешения для детализации продуктивных процессов и внедрения элементов точного земледелия.
С использованием возможностей геоинформационных систем (ГИС) и дистанционного зондирования Земли из космоса были поставлены следующие задачи:
- создание ГИС Кызылординской области;
- определение посевных площадей риса Кызылординской области;
- прогнозирование объема валового сбора риса Кызылординской области.
Для надлежащего космического мониторинга сельскохозяйственного производства была разработана ГИС на основную рисосеющую область. Разработка ГИС включала создание многослойной электронной карты сельскохозяйственных объектов и атрибутивной базы данных, проводилась с применением программного обеспечения ArcGIS компании Esri. По данным космоснимков были векторизованы и созданы следующие тематические слои: сельскохозяйственные угодья, дорожная сеть, населенные пункты, участки выпота солей, гидрография. Графические и тематические базы данных, соединенные с модельными и расчетными функциями позволяют проводить расчет площадей по каждому району, а при внесении кадастровых данных учет может проводиться по каждому субъекту агробизнеса. Создание тематических слоев и базы геоданных выполнено согласно инструкциям по работе с программным продуктом ArcGIS (ArcView), что позволило включить в анализ и визуализировать на карте большие объёмы статистической информации (рис. 1).
Рис. 1. Заполнение базы геоданных атрибутивной информации по посевным площадям риса Кызылординской области.
Для спутниковой оценки посевных площадей риса помимо условно бесплатных космоснимков (Landsat) были использованы снимки с КА KazEOSat-2 с пространственным разрешением 6,5 м.
Для повышения точности оценки площадей посевов риса проведено полевое дешифрирование контрольных точек (рис. 2). Полевые команды проводили сбор наземной информации, которая использовалась для верификации и совершенствования методики интерпретации космоснимков. По результатам наземного обследования происходит обучение, в результате которого база данных о каждом сегменте модифицируется и пополняется (рис. 3).
Рис. 2. Идентификация рисовых полей на космоснимкахв соответствии с планами землепользования в Кызылординской области.
Рис. 3. Подспутниковое обследование рисовых полей Кызылординской области.
Таким образом, по результатам космического мониторинга в Кызылординской области была проведена оценка посевных площадей риса; наибольшее количество рисовых полей находится в центральной части области (рис. 4).
Рис. 4. Посевные площади риса Кызылординской области в 2015 году.
На следующем этапе для прогнозирования объема валового сбора риса были изучены климатические показатели Кызылординской области. Вегетационный период 2015 года на территории области характеризовался активным накоплением термических ресурсов, благоприятным для роста, развития и формирования продуктивности посевов.
Для качественной оценки состояния посевов риса использовались значения вегетационных индексов (NDVI), полученных на основе космических снимков. Обработка космических снимков проводилась на базе программного обеспечения ERDAS IMAGINE 2010.
При выполнении расчетов NDVI из рассмотрения были исключены пиксели космического изображения, соответствующие водным объектам, облачности, открытой почве. После обработки, включавшей процедуры настройки отображения каналов изображения, информация сохранялась в растровом формате и экспортировалась в базу данных по сельскохозяйственным угодьям. Для получения карт состояния растительности это изображение подгружалось в приложение ArcGIS ArcMap, где выполнялись процедуры по отнесению значений к одному из классов состояний и попиксельному экспорту значений NDVI в базу данных. На карту NDVI накладывалась маска рисовых чеков по Кызылординской области. Затем проводился попиксельный счет площади по классам состояния растительности.
При оценке состояния яровых посевов на основе NDVI было выделено пять классов, которые по отдельным признакам классифицировались от очень плохого до отличного (рис. 5).
Рис. 5. Анализ состояния посевов риса: а) в Жалагашском районе, б) в Кармакшинском районе, в) в Жанакорганском районе Кызылординской области.
Оценка состояния посевов риса проводилась в межфазный период «выметывание метелки – цветение». Для характеристики соответствующих условий вегетации с использованием глобальной навигационной спутниковой сети были сняты координаты наземных контрольных точек. В последующем пространственные данные, уточнённые по контрольным точкам, были интерпретированы на общую территорию обследования.
Тематическая обработка космоснимков проводилась на основе сбора и обработки спектров различных культур и различного состояния растений посредством полевого спектрорадиометра HandHeld-2, что способствовало подбору качественного алгоритма распознавания состояний растений и детальному дешифрированию космических изображений. Кроме того, на основе наземного обследования была получена информация о состоянии посевов, продуктивности и структуре урожая риса по основным зонам возделывания в Кармакчинском, Жалагашском, Сырдарьинском, Шиелийском, Жанакорганском районах Кызылординской области (рис. 5). Состояние посевов оценивалось по биометрическим параметрам растений (высота и густота посевов, длина и озерненность метелки и др.). Одновременно учитывалась равномерность распределения зеленой биомассы посевов, степень их повреждения вредителями и болезнями, засоренность.
Выделенные согласно результатам наземных наблюдений и обработки спутниковой информации пять классов состояния посевов риса в разрезе районов Кызылординской области в 2015 г. характеризуются следующими основными показателями:
- Отличное состояние. Посевы равномерные, чистые или со слабой засоренностью (до 10%), высотой до 100–120 см, густотой в зависимости от сорта 350-450 и более продуктивных стеблей на 1 кв.м, с хорошо развитой озерненной метелкой.
- Хорошее состояние. Посевы равномерные или с редко встречающимися небольшими изреженными участками, высотой от 80 до 100 см, с хорошей плотностью (густота в зависимости от сорта 300–350 продуктивных стеблей на 1 кв.м) и средней метелкой, с незначительным засорением и повреждением болезнями, не оказывающими угнетающего действия на растения.
- Удовлетворительное состояние. Посевы неравномерные, с небольшими изреженными участками, высотой от 70 до 80 см, с небольшой плотностью (густота в зависимости от сорта 250–300 продуктивных стеблей на 1 кв.м) и средней метелкой, с более высокой степенью засорения и повреждения болезнями.
- Плохое состояние. Посевы с невысоким проективным покрытием, с неравномерным распределением зеленой биомассы в чеках, в средней степени угнетенные болезнями и сорняками (засоренность до 25-35%), с густотой в зависимости от сорта от 200 до 250 продуктивных стеблей на 1 кв.м.
- Очень плохое состояние. Посевы низкорослые и сильно изреженные, значительно угнетенные болезнями и сорняками, с заметной неравномерностью в развитии растений в чеках, с признаками недоразвитости метелки и низкой продуктивностью.
Согласно результатам космического мониторинга посевов риса в Кызылординской области основная часть полей находится в удовлетворительном и хорошем состоянии (71,3%), состояние 12,7% посевов риса оценивается как плохое и очень плохое.
Затем на основе анализа спутниковых спектральных характеристик полей, обработки материалов наземного обследования биометрических параметров состояния и элементов продуктивности риса в период «выметывание метелки – цветение» выполнен прогноз урожайности риса. По данным ДЗЗ прогнозируемая урожайность риса составила 35,1 ц/га.
Таким образом, в результате проведенных по данному проекту работ разработана и апробирована геоинформационная платформа для системы мониторинга сельскохозяйственных посевов риса Кызылординской области с представлением основных тематических слоев с пространственными и атрибутивными данными. Были разработаны тематические карты-схемы в разрезе районов Кызылординской области в масштабах 1:100000 и 200000.
С использованием данных Космической системы дистанционного зондирования Земли Республики Казахстан (КС ДЗЗ РК) появилась возможность проведения качественного и оперативного мониторинга сельскохозяйственного производства с высокой степенью детализации и точности даже на уровне отдельных хозяйств.
