Байзакова А. Е., Ибраев Т. Т., Цхай М. Б., Бекмухамедов Н.Е.

ТОО «Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства»,

г. Тараз, Республика Казахстан

АО «Национальный центр космических исследований и технологий»,

г. Алматы, Республика Казахстан

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА МЕЛИОРАТИВНОГО СОСТОЯНИЯ ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ЮГА КАЗАХСТАНА

В республике по земельному балансу числится 3093 тыс. га, в том числе 2123,1 тыс. га регулярного орошения и 866,3 тыс. га лиманного орошения. В настоящее время используется порядка 1,4 млн. га земель регулярного орошения, из них около 1,2 млн. га или более 85 %, расположены в четырех южных областях республики: Южно-Казахстанской (30,7 %), Алматинской (36,6 %), Кызылординской (11,6%) и Жамбылской (9,6 %). Ежегодно в зоне орошаемого земледелия по различным причинам остаются неиспользованными значительные площади орошаемых земель (от 20 до 30 %) [1,2]. Отдача поливного гектара все еще остается не высокой, одна из причин - низкий технический уровень большинства оросительных систем и ухудшение мелиоративного состояния орошаемых земель. Основные причины вывода орошаемых земель из сельскохозяйственного оборота и их деградации связаны с организационно–хозяйственными, социально–политическими и природными факторами.

Самым распространенным экологическим последствием ирригации является связанная с ней засоленность орошаемых земель. По данным исследований, проведенных Всемирным банком, площадь засоленных земель Казахстана составляет более 760 тыс. га или около 33% всех орошаемых земель. На юге Казахстана наблюдается устойчивая тенденция ежегодного увеличения засоленных земель в среднем от 8 до 13 процентов. В этих условиях актуальна проблема мониторинга и оценки мелиоративного состояния орошаемых земель, особенно на юге Казахстана, для получения точных научно обоснованных данных о качественном состоянии земель и происходящих в них изменениях.

Мониторинг земель – система наблюдений за состоянием земель для своевременного выявления различных изменений, их оценки, а также предупреждения и устранения последствий негативных процессов. Мониторинг - преимущественно техническая и информационно-аналитическая работа, связанная с применением технических средств контроля за состоянием земель, взятием проб почв и проведением почвенно-геоботанических обследований, анализов и измерений химического и биологического состава почв, их физического состояния. Следовательно, мониторинг это одновременно мера предупредительного, текущего и последующего контроля.

Данные мониторинга проводимого по проекту «Разработка технологии космического и наземного мониторинга мелиоративного состояния орошаемых земель Юга Казахстан» (в рамках программы «Научное обеспечение рационального использования водных ресурсов и разработка технологий мелиорации земель сельскохозяйственного назначения»), станут основой для создания интерактивной карты орошаемых земель юга Казахстана в масштабе 1:1 000 000 (обновляемой в рабочем режиме один-два раза в месяц в течение вегетации). Карта будет доступна в свободном режиме на ГЕО-портале.

В настоящее время системы космического мониторинга широко используются при изучении природно-территориальных комплексов различного масштаба. Современные системы дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) позволяют:

- получать оперативные снимки одной и той же территории с различным пространственным разрешением;

- вести съемку в различных спектральных диапазонах практически в любое время суток;

- получать повторные снимки любых территорий, включая труднодоступные и малоизученные участки, и формировать регулярные временные ряды космических снимков.

Однако без проведения наземного мониторинга дешифрование космических съемок не представляется возможным. Только совместный наземно-космический мониторинг позволит разработать web-ГИС систему отображения результатов мониторинга мелиоративного состояния орошаемых земель юга Казахстана.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а кроме того - разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Таким образом, оперативное картографирование становится средством контроля за развитием явлений и процессов и обеспечивает принятие управленческих решений.

Мониторинг мелиоративного состояния орошаемых земель осуществлялся на выбранных пилотных участках. Выбор пилотных участков проведен с учетом их типичности для южного региона Казахстана по климатическим, почвенным, гидрогеологическим, геоморфологическим и хозяйственным условиям в Южно-Казахстанской, Кызылординской, Жамбылской и Алматинской областях. Также учитывались нормы, условия и требования, необходимые для осуществления космического мониторинга.

На пилотных участках были организованы натурные исследования и наблюдения за мелиоративным состоянием орошаемых земель (рисунок 1). Натурные наземные измерения проводились одномоментно с космическими съемками. Для этого было согласовано время и место проведения совместных наземных исследований с соисполнителями – АО «НЦКИТ» (таблица 1).

Натурные наземные исследования включали в себя:

- определение географических координат пилотных участков,

- определение температуры почвы и растений на открытых и затененных участках, с определением географических координат точек замеров;

- отбор образцов почв для определения степени и типов засоления почвы;

- определение географических координат политых и неполитых участков на момент проведения замеров с фиксацией времени замеров;

- данные по севообороту (сроки сева и уборки);

- данные по режиму орошения;

- определение и описание фенологических фаз развития растений на момент замеров.

Таблица 1 - Даты пролета спутников над пилотными участками в 2015 году.

Область	Кызылординская	ЮКО	Жамбылская	Алматинская
№ сцены	157029	155032	153030	149030	150030
1	03.07	05.07	07.07	11.07	02.07
2	19.07	21.07	23.07	27.07	18.07
3	04.08	06.08	08.08	12.08	03.08
4	20.08	22.08	24.08	28.08	19.08
5	05.09	07.09	09.09	13.09	04.09
6	21.09	23.09	25.09	29.09	20.09
7	07.10	09.10	11.10	15.10	06.10
8	23.10	25.10	27.10	31.10	22.10
9	08.11	10.11	12.11	16.11	07.11
10	24.11	26.11	28.11	02.12	23.11
11	10.12	12.12	14.12	18.12	09.12
12	26.12	28.12	30.12		25.12

Все натурные исследования соответствуют требованиям стандартов, норм и правил технологической и экологической безопасности, отраженных в законодательных актах Республики Казахстан и выполнялись по общепринятым методикам, с соблюдением ГОСТов и отраслевых стандартов [4].

Рисунок 1 – Проведение натурных исследований на участке в пос. Атакент Южно-Казахстанской области

Комплекс наземно-космических исследований на пилотных участках южных областей Казахстана позволил получить своевременную и достоверную информацию о мелиоративном состоянии орошаемых земель. Кроме того полученные данные (таблица 2) используются для разработки методики тематического дешифрирования ключевых параметров мелиоративного состояния орошаемых земель юга Казахстана на основе структурных моделей, представляющих взаимосвязи отдельных объектов и их свойств в сложных многокомпонентных системах «данные аэрокосмической съемки» и «наземные объекты» с последующей разработкой методики оценки мелиоративного состояния орошаемых земель в вегетационный период.

Таблица 2 - Результаты комплекса наземных исследований

Наименование объекта
Дата	Время	№ точки	Координаты		Температура			Примечания
			N	E	воздуха	почвы на поверхности	растений
Южно-Казахстанская область, пос. Атакент
21.07.2015	11-45	1	40^°50'42.58"	68^°29'27.89"	33^оС	48^оС	28-30^оС на поверхности 24^оС в тени	Участок хлопчатник (слабозасоленный) не политая часть. Полива не было. В феврале был проведен промывной полив большой нормой, при этом образовалась «подушка грунтовых вод» на глубине около 1 м.
		2	40^°50'59.57"	68^°28'49.57"
		3	40^°50'48.51"	68^°28'35.22"
		4	40^°50'28.00"	68^°29'09.84"
		Отбор пробы 1	40°50'41.36"	68°29'23.08"
	11-55	Отбор пробы 2	40°50'53.18"	68°28'58.46"		26-27^оС	20-21^оС на поверхности 18-19^оС в тени	Участок политая часть. Полив проведен 19-21.07.2015 г. УГВ Н=2,4-2,6 м
21.07.2015	12-12	5	40^°51'07.07"	68^°28'35.49"		26-27^оС	18-19^оС на поверхности 16^оС в тени	Полив провели 18.07.2015 г. Фаза развития растений – цветение, образование нижних коробочек.
		6	40^°50'25.02"	68^°28'23.15"
		7	40^°51'06.51"	68^°28'38.87"
		8	40^°50'54.03"	68^°28'26.43"
		Отбор проб	40°51'5.26"	68°28'36.12"

Разработанная методика синхронных подспутниковых наблюдений включает в себя описание сроков проведения выездов на изучаемые полигоны, методику отбора проб, перечисление необходимых инструментов и бланк с перечислением необходимых для описания параметров среды.

Сроки проведения выездов на выбранные участки зависят от погодных условий конкретного года и синхронизированы с датами пролетов космического аппарата Landsat-8, снимки с которого являются основным источником данных проекта. Первый выезд должен быть проведен после прохождения снеготаяния и посевных работ на полях. Повторные выезды проходят каждый месяц в течение вегетационного сезона для сбора данных в различные фазы развития растений, также в периоды запланированных пролетов спутника Landsat-8.

Инструменты, необходимые для проведения детальных полевых работ:

1) GPS-навигатор, для точного определения географических координат описываемых точек и границ полигонов исследования;

2) Бесконтактный термометр ST tm PRO PLUS для определения температуры воздуха, почвы и растений;

3) Прибор Accupar LP80 для определения LAI - индекса листовой поверхности;

4) Фотоаппарат для проведения фотосъемки в надире над посевом (для расчета проективного покрытия почвы растительностью) и в перспективе;

5) рулетка (линейка) для определения высоты и густоты растений.

Для верификации расчетов по спутниковым снимкам требуется регулярная и достоверная наземная информация. В числе необходимых измеряемых параметров: температура растительности на разных стадиях развития и в разном фенологическом состоянии и в условиях изменяющейся влажности почвенного покрова; влажность поверхностного слоя обрабатываемых, нетронутых и засоленных почв; глубина промачивания обрабатываемых, нетронутых и засоленных почв; измерения LAI (индекс площади листьев) на разных стадиях развития и в разном физиологическом состоянии растений.

Для обработки спутниковой информации (Landsat) применялся набор стандартных индексов спектральных яркостей: Simple Ratio (NIR/RED), Normalized Difference Salinity Index ((Thermal IR-NIR)/(Thermal IR+ NIR)), Moisture Stress Index (SWIR/NIR), Salinity Index ((Blue*Red)/2), Soil Adjusted Vegetation Index [5].

Необходимо отметить важную роль обработки исходных данных дистанционного зондирования, из которых наиболее эффективны для оценки засоленных почв, такие как спектральное разделение (spectralunmixing), классификация по максимальному правдоподобию (maximumlikelihoodclassification), классификация на основе нечетких множеств (fuzzyclassification), совмещение диапазонов (bandrationing), анализ главных компонент (principalcomponentsanalysis), корреляционные уравнения (correlationequations).Также моделирование временной и пространственной изменчивости солености с использованием комбинированных подходов с привлечением методик слияния и разделения данных.

На базе данных ДЗЗ высокого разрешения построены маски сельскохозяйственных полей на основные сельскохозяйственные округа 4-х южных областей Казахстана (рисунок 2). Эти данные послужили основой для создания карты орошаемых территорий. Рассчитанные данные о температуре подстилающей поверхности (рисунок 3) и данные вегетационного индекса VSWI (рисунок 4) позволили определить территории с поливным и богарным системами производства. Карты были построены на 2014 и 2015 годы, их разница позволила определить изменения площадей с орошением и без применения орошения.

Проектирование базы данных начинается с анализа основного документа, используемого в традиционной (бумажной) технологии. В данном случае, таким документом является Бланк описаний. В таблице 3 показан примерный бланк описаний участка обследования (рисунок 5) с описанием таких характеристик как: состояние растений и основные характеристики полива

Рисунок 2 - Маска полей участка ирригационной системы

в Южно-Казахстанской области

Рисунок 3 - Классификация полей по разности температур

Рисунок 4 - Классификация полей по индексу VSWI

Таблица 3 – Бланк описаний

Сотрудник	Михаил Цхай
1	2
Административное положение	Южно-Казахстанская область
Географическое положение	пос. Атакент
Номер точки	1
Дата наблюдений	21.07.2015
Координаты (N, E)	40°50'42.58" 68°29'27.89"
Погодные условия	Открытое небо
Температура воздуха, оС	33
Температура почвы, оС	48
Температура растений на поверхности, оС	28-30
Температура растений в тени, оС	24
УГВ (уровень грунтовых вод), м	2,4-2,6
Наличие полива, дата	Полива не было
Засоление, текст	слабозасоленный
Культура, текст	хлопчатник
Фаза развития растений, текст	цветение, образование нижних коробочек
Высота растений, см	80
Густота растений, шт/м2	90
Состояние растений	хорошее
Болезни	нет
Севооборот	-
Состояние ирригационной системы, текст	хорошее
Примечание, текст	В феврале был проведен промывной полив большой нормой, в результате которого образовалась «подушка грунтовых вод» на глубине около 1 м

Рисунок 5 – Участки обследования к бланку описаний

Проектирование базы данных определяется тем условием, что вся совокупность данных может быть представлена как универсальное отношение. Для этого, поля информации организуются в виде нескольких таблиц, используя операцию нормализации.

В рамках исследований проекта АО «НЦКИТ» реализовал задачу разработки базы данных по полевым исследованиям с целью хранения и обработки информации.

В Казахстане с его огромной территорией и сильной дифференциацией в уровне развития и потенциальном обеспечении ресурсами регионов не существует разумной экономической альтернативы космическо-наземному мониторингу и всем сопутствующим ему прикладным работам.

Потенциальными пользователями результатов космическо-наземного мониторинга являются Министерство сельского хозяйства РК, областные и районные акиматы и частные предприниматели. Указанные организационные структуры заинтересованы в дальнейшем развитии технологий дистанционного контроля состояния и использования земельных ресурсов и продолжении работ по космическому мониторингу.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Послание Президента Республики Казахстан – Лидера нации Нурсултана Назарбаева народу Казахстана «Стратегия «Казахстан-2050».

2 www kaztag.KZ, отчет Агентства Республики Казахстан по управлению зе-мельными ресурсами 2012 год.

3 Шакирбаев И. О мелиоративной службе Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан. - Алматы. Жетысуская гидрогеолого-мелиоративная экспедиция, 2012. – 2 с.

4 Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. – М.: Колос, 1979. – 416 с.