Мониторинг сельскохозяйственного производства Республики Казахстан на основе данных ДЗЗ

К.С. Бактыбеков¹, Г.Р. Кабжанова², А.А. Аимбетов³, Г.А. Кабдулова⁴, Н.Б. Танат⁵
АО «Национальная компания «Казакстан Гарыш Сапары», г. Нур-Султан, Казахстан
(E-mail: ¹k.baktybekov@gharysh.kz, ²g.kabzhanova@gharysh.kz, ³a.aimbetov@gharysh.kz, ⁴g.kabdulova@gharysh.kz, ⁵n.tanat@gharysh.kz)

Agricultural Production Monitoring in the Republic of Kazakhstan Based on Remote Sensing Data

Национальная компания «Казакстан Гарыш Сапары» осуществила ряд проектов по мониторингу сельскохозяйственного производства в стране. Они основаны на использовании данных ДДЗ и ГИС-технологиях, что обеспечивает решение народнохозяйственных задач на современном уровне.

Космические технологии, являясь мощным источником новых материалов и разнообразной информации, способствуют развитию практически всех отраслей национальной экономики и лидируют в поддержке политических интересов и вопросов обеспечения обороны и безопасности страны.

С развитием собственной космической системы в Казахстане существенно расширились и возможности использования современных методов мониторинга и контроля хозяйственной деятельности и природопользования.

В настоящее время Национальная система дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Республики Казахстан (РК) включает группировку из двух спутников ДЗЗ высокого и среднего разрешения, наземный комплекс управления спутниками и наземный целевой комплекс для приема и обработки космических данных.

За годы эксплуатации отечественных спутников выяснилось, что одним из основных направлений использования данных ДЗЗ является мониторинг земельных и сельскохозяйственных ресурсов, в том числе сельскохозяйственного производства.

Один из этих спутников, «KazEOSat-2», имеет пространственное разрешение 6,5 м/пиксель, 5 мультиспектральных каналов, представляет пространственную информацию о земной поверхности в видимом и инфракрасном диапазонах спектра и адаптирован, прежде всего, на решение задач агропромышленного комплекса и землепользования.

Потенциал и возможности космических аппаратов в Казахстане в первую очередь направлены на решение наиболее актуальных аграрных проблем: продовольственная безопасность, оценка экспортного потенциала, внедрение системы точного земледелия, резкое снижение коррупционных издержек, инвестиционная привлекательность сельскохозяйственных земель, решение экологических проблем сельского хозяйства и т.д. В силу этого, космические технологии стали органической частью агроменеджмента и основным инструментом в управлении и мониторинге для государственных органов и других организаций в сфере АПК республики [1, 2].

Существует ряд задач управления сельскохозяйственным производством, требованиями к которым являются комплексность, оперативность, объективность информации:

• рациональное использование земельных ресурсов;
• мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий;
• мониторинг своевременности и качества агротехнологических операций;
• мониторинг адресности субсидирования и агрострахования.

Принципы и методы

Национальная компания «Казакстан Гарыш Сапары», являясь Национальным оператором Космической системы дистанционного зондирования Земли РК, руководствуясь принципами объективности и достоверности, осуществила ряд проектов по мониторингу сельскохозяйственного производства страны.

Имея высокое стратегическое продовольственное значение, северные зерносеющие области страны (Акмолинская, Северо-Казахстанская, Костанайская) привлекают большой интерес как со стороны госорганов, так и частных структур в части контроля и мониторинга сельхозпроизводства.

Агропроизводство Северного Казахстана расположено в зоне рискованного земледелия и должно находиться под постоянным контролем. Это относится и к проведению агротехнических и агрохимических мероприятий, и к условиям пофазового развития культур, и к уточнению урожайности и валовых сборов. На больших территориях объективный и качественный мониторинг возможен только с использованием данных ДЗЗ. Эти данные позволяют неконтактно оценить условия вегетации растений по отражательным свойствам подстилающей поверхности [3].

В стране с конца 1990-х годов внедрена автоматизированная информационная система государственного земельного кадастра Республики Казахстан (АИС ГЗК РК). При этом, с точки зрения ведения кадастрового учета, учета правового режима земель, их месторасположения, учета размеров земельных участков и связанных с ними объектов недвижимости имеется ряд ограничений для полноценных работ по картированию и учету, оценке качества почвенного покрова и мониторингу землепользования [4].

Спутниковая оценка посевных площадей сельскохозяйственных культур проводится на основе актуальных данных ДЗЗ и использования современных геоинформационных технологий (ГИС). Основными условиями проведения космического мониторинга сельскохозяйственного производства являются достаточное пространственное разрешение и разновременные наблюдения. Электронная карта полей, созданная на основе векторизации данных ДЗЗ высокого и среднего разрешения, несет точную информацию по площади и границам каждого поля в разрезе хозяйств при интеграции с данными земельного кадастра (рис. 1). Такой подход исключает субъективную оценку землепользования и заведомо ложные данные по посевным площадям.

Рис. 1. Заполнение атрибутивной информации для слоя «пашня» на территорию Акмолинской области РК.

Мониторинг сроков посева

Сроки посева являются одним из основных элементов современной технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Посев в оптимальные сроки обеспечивают отдачу вкладываемых в возделывание средств, способствует получению высокого урожая и качества продукции при общем благоприятном фитосанитарном состоянии посевов.

При правильном выборе срока посева создаются условия для формирования физиологически устойчивых, выносливых и конкурентоспособных к вредным организмам посевов. При выборе оптимальных сроков посева учитываются следующие основные критерии, значение которых изменяется по зонам: общая длина вегетационного периода, требования сельскохозяйственных культур к температуре почвы в период прорастания и формирования всходов, к потреблению влаги для формирования сельскохозяйственной продукции.

Мониторинг сроков сева важен, прежде всего, для аргументированности субсидионных выплат, направленных на поддержку сельскохозяйственного производства при условии соблюдения агротехнологии возделывания и рациональном землепользовании.

Применяя анализ разновременных космоснимков, возможно ориентирование мониторинга на контроль соблюдения сроков агротехнологических операций (сроков посева, сроков уборки, сроков проведения фитосанитарных мероприятий и др.). Для Северного Казахстана оптимальные научно-обоснованные сроки сева сельскохозяйственных культур определяют региональные научно-исследовательские институты сельского хозяйства, принимая во внимание условия осенне-зимнего накопления влаги, условий сева, почвенные характеристики, агрометеоданные и другие характеристики. Для получения устойчивого урожая сельхозтоваропроизводитель, как правило, должен придерживаться оптимальных сроков сева. И только космический мониторинг позволяет достоверно и оперативно определять соблюдение этих сроков.

Оценка состояния посевов

Для оценки состояния яровых посевов Северного Казахстана обработка космических снимков проводится нами на базе программного обеспечения Erdas.

Количественные оценки состояния растительности проводились на основе вычисления нормализованного дифференциального вегетационного индекса (NDVI). При выполнении расчетов NDVI были исключены пиксели космического изображения, соответствующие водным объектам, облачности, открытой почве. После обработки, содержащей 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 программный продукт ArcGIS, где выполнялись процедуры по отнесению значений к одному из классов состояний и попиксельному экспорту значений NDVI в базу данных.

Оценка состояния яровых зерновых посевов северного зерносеющего региона Казахстана выполнялась на основе алгоритма, отработанного с использованием архивной базы данных ДЗЗ с выделением 5 типов состояний: от очень хорошего до очень плохого.

Оценка состояния посевов проводилась в период максимального накопления растениями биомассы – состоянии молочной спелости яровой пшеницы. На карту NDVI накладывалась маска сельскохозяйственных полей по областям. Затем проведен попиксельный счет площади по классам состояния растительности (рис. 2).

Рис. 2. Карта-схема состояния яровых посевов 2019 года в Акмолинской области на основе актуальных данных ДЗЗ.

Таким образом, спутниковая оценка состояния яровых зерновых культур позволяет реализовать пространственно-временной мониторинг сельскохозяйственных посевов как на региональном уровне, так и на уровне отдельных полей и может служить основой для принятия управленческих решений в агропроизводстве.

Картирование границ и площадей

Уточнение границ и площадей сельскохозяйственных угодий является первичной задачей при внедрении космических технологий в сельскохозяйственное производство, поскольку именно эта информация служит географически координированной основой для дальнейших работ [5]. Точное картографирование сельскохозяйственных угодий с применением актуальных данных ДЗЗ необходимо также для решения земельных споров, выявления самовольного захвата земель, определения их нецелевого использования. Космический снимок в настоящее время становится одним из важных инструментов для инспектирующих и контролирующих органов в области землепользования.

Основные задачи космического мониторинга землепользования:

• определение количественного состава земель;
• автоматическое получение данных по пользованию земельными участками (при изменении правоотношения);
• мониторинг фактического использования земельных ресурсов;
• обновляемые инвентаризационные характеристики земельного участка (местоположение, площадь, назначение);
• предоставление информации для исчисления земельного налога и арендной платы;
• составление кадастровых карт;
• определение целевого использования земельных участков и автоматическое выявление нарушений земельного законодательства и установленных требований;
• определение неиспользуемых земель;
• выявление и мониторинг процессов деградации земель (рис. 3).

  Рис. 3. Определение неиспользуемых земель посредством наложения данных земельного кадастра на космоснимок.

Мониторинг землепользования

Достоверная оценка использования земель сельскохозяйственного назначения по данным ДЗЗ позволяет выявить элементы их нецелевого использования, приводящие к развитию деградации и ухудшению почвенных свойств, снижению качества и бонитетности угодий.

В сфере АПК законодательством предусмотрено 18 видов субсидий, на которые за 2013-2016 годы выделено 648,6 млрд. тенге. Важное государственное значение в данном случае имеет адресность и эффективность субсидий. Для предотвращения нецелевого расходования бюджетных средства и контроля законности субсидирования использование данных ДЗЗ однозначно необходимо.

АО «НК «Казакстан Гарыш Сапары» по запросу антикоррупционных служб и Генеральной прокуратуры Республики Казахстан были проведены мероприятия по мониторингу посевных участков и выявлению несоответствий.

Субсидирование посевной площади сельскохозяйственных культур проводится на каждый гектар посевов. После определения оптимальных сроков посева по результатам работы межведомственной комиссии района и подтверждения посевной площади проводятся субсидионные выплаты сельхозтоваропроизводителям. В некоторых случаях данный процесс может характеризоваться необъективностью и недостоверностью. В данном случае только данные ДЗЗ являются доказательством наличия сельскохозяйственных посевов и проведения агротехнических мероприятий на поле.

Так, на рисунке 4 выделены территории сельскохозяйственных полей, не подвергшиеся агротехнической обработке (вспашка, посев, культивация – отмечены красным цветом), но, возможно, включенные в площадь субсидирования хозяйства. Данный факт говорит о необходимости дополнительной проверки инспектирующими органами правомерности субсидирования.

Рис. 4. Мониторинг посевных участков по данным ДЗЗ среднего разрешения за 2019 год (Акмолинская область): а) 18 апреля, б) 05 мая, в) 15 мая.

Программа дистанционного мониторинга

Результаты ранее проведенных работ по мониторингу сельскохозяйственного производства стали основанием для реализации государственной программы по созданию и развитию инфраструктуры пространственных данных на основе данных ДЗЗ из космоса и спутниковой навигации для Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан на 2018-2020 годы, которая включает решение ряда отраслевых задач министерства.

Таким образом, методы объективного дистанционного анализа, основанные на данных ДЗЗ, позволяют осуществлять комплексный мониторинг сельскохозяйственного производства и землепользования. Эти данные характеризуются высокой оперативностью, периодичностью получения, сокращением времени для проведения анализа и высокой степенью достоверности.

АО «НК «Казакстан Гарыш Сапары», являясь Национальным оператором КС ДЗЗ РК, способствует развитию современных космических технологий в Казахстане и эффективному применению данных ДЗЗ в различных отраслях экономики, в том числе в агропромышленном комплексе страны.

С 2018 года нашей компанией в рамках научно-технической программы 008 «Прикладные научные исследования в области космической деятельности» реализуется научно-техническая программа BR05336483 «Оптимизация технических параметров и методического подхода к использованию данных дистанционного зондирования Земли отечественных космических аппаратов KazEOSat – 1,2». Ее целью является разработка научно-обоснованных методов оценки почвенного покрова Северного Казахстана РК на основе данных с отечественных спутников. Данные ДЗЗ обеспечивают высокую детальность и достоверность цифровых почвенных карт.

В целях проведения анализа возможностей дистанционного зондирования для характеристики структуры почвенного покрова территории Северного Казахстана выполнен ряд работ по следующему алгоритму:

1. разработка цифровой модели рельефа тестовых полигонов для характеристики ландшафтной и геоморфологической ситуации;
2. разработка прогнозной почвенной карты на тестовые полигоны по северным типам почв на основе данных ДЗЗ;
3. влияние параметров плодородия почв на биофизические показатели растений по данным ДЗЗ.

Для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) были использованы стереопары со спутника KazEOSat-1 (пространственное разрешение – 1 метр), наземные контрольные точки и SRTM, программное обеспечение Erdas Imagine. ЦМР разработана на тестовые полигоны по основным типам почв Северного Казахстана.

После проведения полного процесса создания ЦМР были отмечены возможности оценки по ЦМР:

• почвенного микрорельефа (мелкие формы рельефа, занимающие незначительные площади, с колебаниями относительных высот в пределах 1 метра (реже 1-2 м) и колебаниями диаметра от 1 до 10 м.);
• выделения интразональных почв, происхождение которых связано с микрорельефом территории;
• извлечения аналитической информации из данных дистанционной оценки и цифровых моделей рельефа, а также корректировки имеющихся почвенных карт.

Затем был проведен регрессионный анализ между переменными величинами – значений производных вегетационных индексов и высот рельефа по ЦМР для определения причинно-следственной связи и дальнейшего изучения пространственного распределения и динамики свойств почв.

Для полной оценки анализируемых зависимостей рассматривались космические снимки в период максимального роста и развития растений. Далее проводились тематическая обработка данных ДЗЗ и расчет спектральных индексов NDWI (Normalized Difference Water Index), NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), GrDVI (зеленый нормированный разностный растительный индекс), GDVI (generalized Difference Vegetation Index), SAVI (Soil Adjusted VI), Bare Soil (индекс голого грунта).

Для проведения анализа характеристики структуры почвенного покрова территории Северного Казахстана на основе данных дистанционного зондирования в качестве исходных данных были использованы космические снимки среднего пространственного разрешения – как отечественных (KazEOSat-1,2), так и зарубежных (Landsat-8, Sentinel-2) космических аппаратов. Разрешение, а также спектральные возможности данных космических аппаратов позволяют проводить полноценный анализ почвенного покрова.

Анализ землепользования по данным ДЗЗ территории Северного Казахстана показал, что за период с 1985 по 2019 год площадь пахотных угодий значительно уменьшилась (порядка 30%), это служит основанием для внесения корректировок в содержание почвенной карты. По данным ДЗЗ дешифрировано порядка 30 почвенных разновидностей площадью 2500 кв. км. Проведенная работа с использованием данных ДЗЗ и возможностей ГИС привела к увеличению детальности почвенной карты Северного Казахстана до 23%.

Исследования в данных направлениях позволяют совершить переход от научных экспериментов и разрозненных попыток регионального практического внедрения их результатов к созданию систем компьютерного картографирования почв, базирующихся на принципах современной цифровой картографии и использующих в качестве основного источника информации спутниковые данные.

Таким образом, результаты проведенных исследований могут быть использованы для совершенствования дистанционного мониторинга сельскохозяйственных земель, при посеве, уборке урожая и т.д. Проведенные работы позволяют определить эффективность использования земель сельскохозяйственными предприятиями, в результате чего представляется возможной организация мероприятий по рациональному использованию сельскохозяйственных земель на всех производственных стадиях.

Литература

1. Алипбеки О.А., Нургужин М.Р., Дюсенев С.Т., Алипбекова Ч.А., Кабжанова Г.Р. Концепция внедрения системы точного земледелия в Республике Казахстан.- Астана, 2014. – 19 с. ISBN 978-601-06-3025-3.
2. Алипбеки О.А., Нургужин М.Р., Дюсенев С.Т., Алипбекова Ч.А., Кабжанова Г.Р. Рекомендации по использованию космических технологий для ведения системы точного земледелия в Республике Казахстан.- Рекомендация. – Астана, 2014. – 36 с. ISBN 978-601-06-3024-6.
3. Пьянков С.В., Калинин Н.А., Свиязов Е.М. Мониторинг состояния сельскохозяйственных культур в Пермском крае по данным дистанционного зондирования Земли//Вестник Пермского университета. Серия: Биология.-№ 10.-2009.- С.147-153
4. Оспанов А., Дюсенбеков З. Земельные ресурсы и земельная реформа в Республике Казахстан.- Астана. АУЗР, 2001.-352 с.
5. Антонов С.А. Опыт использования космических технологий для нужд сельского хозяйства Ставропольского края// Геоматика, 2016.- №2.- С.49-54