Методические основы автоматического распознавания паровых полей в Северном Казахстане по данным ДЗЗ

Территория Северного Казахстана является уникальным местом, где в различных почвенно-климатических зонах возделываются крупные поля (300-800 га) яровых сельскохозяйственных культур, общей площадью около 15 млн.га. По официальным статистическим данным 2016 г., основные площади пашни заняты зерновыми культурами (12 млн .га), среди которых главная культура - яровая пшеница. Основной системой возделывания зерновых культур в зоне недостаточного увлажнения Северного Казахстана является применение зернопаровых севооборотов, при которых наблюдается чередование посевов после пара с ротацией от 4-5 лет до 6-8 лет и более. Паровые поля являются лучшими предшественниками для зерновых культур, они способствуют накоплению влаги и питательных веществ в почве, улучшению фитосанитарного состояния и повышению продуктивности сельскохозяйственных культур.
В условиях Северного Казахстана широкое распространение получили чистые пары, свободные от возделывания сельскохозяйственных культур в течение периода парования. Его обработку начинают обычно после завершения посевных работ. Первая обработка начинается в начале июня, последующие три проводятся с интервалом 18-20 суток с обработкой почвы на глубину 10-12 см, а последняя обработка проводится в августе или начале сентября на глубину 25-27 см [1]. Такое количество обработок рекомендуется для полного истребления на полях сорной растительности и способствует максимальному увеличению урожайности зерновых культур. По исследованиям Казахстанских ученых[2] наличие 20-25 % паров от севооборотной площади способствует стабильному получению урожайности зерновых культур, сокращает напряженность полевых работ в посевной уборочный период.
Объективным источником информации о площадях и расположении паров на текущую дату или сезон в разрезе хозяйств, районов и области являются данные дистанционного зондирования Земли, которые покрывают значительные площади распаханных земель. На протяжении многих лет в Казахстане система спутникового распознавания паровых полей, обработанных механическим способом, основывалась преимущественно на экспертном дешифрировании спутниковых данных TERRA/Modis (каналы 1,2) и Landsat 7 (8) в период активной вегетации сельскохозяйственных культур. По многолетним данным ДЗЗ, в зависимости от погодных условий, степени засушливости климата, применяемой агротехники возделывания площади парования полей колеблются по районам северных областей от 10 до 15 % от ежегодной площади распаханных полей. Спутниковое распознавание полей основано на анализе различий коэффициентов отражения распаханных полей и вегетирующих посевов в летний период. Паровые поля, обработанные за лето 3-4 раза, имеют слабое засорение сорной растительностью и имеют низкие коэффициенты спектрального отражения, что позволяет их легко определять на безоблачных космоснимках Landsat и TERRA/Modis. Однако, проведение спутникового анализа по огромному количеству полей (более 100 тыс.), расположенных в различных почвенно-климатических зонах Северного Казахстана, является достаточно трудоемкой задачей, требует много времени на визуальное дешифрирование.
Для целей оперативного проведения спутникового мониторинга за парованием полей, расчета их площадей на уровне хозяйств, районов и областей возникла необходимость в разработке метода автоматического определения паровых полей для различных почвенно-климатических районов Северного Казахстана. По данным наземных обследований в засушливых и влажных почвенно-климатических условиях Северного Казахстана формируется различное состояние паровых полей, обработанных механическим способом (от чистых паров без сорняков до паров со средней и сильной засоренностью).
Методикой автоматического распознавания паровых полей предусматривается использование серии 8-дневных композитных снимков MODIS продукта MOD09Q1 за июль месяц. В это время наблюдаются наибольшие различия спутниковых индексов (в частности NDVI) у паровых полей и возделываемых яровых сельхозкультур, достигающих максимального роста во всех агроклиматических зонах Северного Казахстана. В более ранний период в июне месяце диагностические признаки паровых полей и пахотных земель, на которых возделываются культуры в фазах начального развития, слабо выражены, что осложняет распознавания паров по космическим снимкам.
Состояние паровых полей в зависимости от засоренности и количества обработок характеризуется различными часто повторяющимися спектральными индексами и разными сроками их обработки.
Анализ спутниковых данных NDVI по территории Северного Казахстана показал, что состояние паровых и засеваемых полей подвержено значительной динамике как по территории, так и по годам. Таким образом, задача исследования по автоматическому распознаванию парования полей заключалась в анализе спутниковых NDVI серии космических снимков TERRA/Modis (каналы 1,2) за июль месяц, поиске диагностических признаков и пороговых значений паровых земель для Северного Казахстана, создании автоматического алгоритма их детектирования, оценке точности результатов. В рамках поставленной задачи было проведено районирование территории Акмолинской, Костанайской, Северо-Казахстанской областей с целью определения однородных зон состояния полей с парованием и посевными площадями, определения для этих зон соответствующих интервалов спутникового индекса. Для районирования территории Северного Казахстана привлекались средние многолетние данные и карты-схемы:
- основные типы почв (контуры черноземных почв, темно-каштановых, светло-каштановых);
- агроклиматические условия Северного Казахстана по гидротермическому коэффициенту Селянинова – ГТК за период май-июль;
- распределение значений NDVI за средний многолетний период (2006-2016 гг.) на конец июля по полям и по районам областей;
- фактическая информация по зернопаровым севооборотам с подспутниковых хозяйств за многолетний период (2006-2016 гг.);
- статистическая информация по районной и областной урожайности зерновых культур.
По результатам исследования территория северных областей РК была классифицирована на 8 типичных зон со схожими почвенно-климатическими условиями. В каждой из зон на основе совместного анализа данных TERRA/Modis, Landsat 8, фактических данных с подспутниковых хозяйств и данных маршрутных обследований были рассчитаны и верифицированы пороговые значения NDVI, характеризующие типичное состояние паровых полей. По результатам исследования, пороговые значения индексов NDVI у паровых полей увеличиваются с более засушливых южных районов на темно-каштановых почвах к более влажным наиболее урожайным северным районам на черноземных почвах (с динамикой значений NDVI по зонам от 0,2 до 0,40).
В заключение следует отметить, что результаты автоматического распознавания типов землепользования по данным TERRA/Modis позволяют уверенно диагностировать основной класс (до 70-75 % площадей) паровых полей на уровне районов и областей. Полученные значения послужат исходной точкой отсчета для последующей классификации состояния и оценки урожайности посевов в различных регионах Северного Казахстана. Более высокие результаты распознавания площадей паровых полей (90-95%) обеспечиваются совместным использованием данных TERRA/Modis и экспертным дешифрированием космоснимков Landsat 8, с применением различных спектральных комбинаций каналов (ch5,4,3). В настоящей работе, в качестве примера, демонстрируются спутниковые карты-схемы зернопаровых севооборотов, построенные на основе разработанной методики а так же верификация дистанционных оценок для отдельных хозяйств и районов Акмолинской области за 2016-2017 гг.