Геоинформационное картографирование современного состояния сельскохозяйственных территорий Мясниковского района Ростовской области

Введение

Для сельскохозяйственной, экологической и географической науки крайне актуально изучение структуры землепользования с использованием комплекса современных технологий: дистанционного зондирования, цифровой картографии и ГИС-анализа. Определение фактических площадей пашни, их системное наблюдение и учет напрямую соответствуют целям важнейших программ развития на государственном и региональном уровне. Наглядным примером масштабного проекта в России служит Государственная программа, направленная на развитие мелиорации и вовлечение в эффективное использование земель сельскохозяйственного назначения. Согласно ее положениям, стратегические и территориальные планы развития регионов должны предусматривать создание и внедрение соответствующих региональных программ, направленных на возврат в сельскохозяйственное использование неэксплуатируемых земель и модернизацию мелиоративных систем [1]. В рамках этой программы перед субъектами РФ поставлена амбициозная задача ввести в оборот порядка 13,2 млн гектаров неиспользуемых сельхозземель. Параллельно регионы должны провести детальную инвентаризацию актуальной структуры землепользования, что составляет одну из насущных задач современной картографии. Комплекс инвентаризационных мероприятий дополнительно включает оценку плодородия земель, потенциально пригодных для вовлечения, с проведением агрохимических, эколого-токсикологических и почвенных изысканий. Приоритетной целью в рамках рассматриваемого направления является необходимость проанализировать свыше 60% структуры землепользования к установленному сроку – 2025 году. Геоинформационные системы рассматриваются здесь как наиболее эффективное и перспективное решение. Формируемые геоданные о землепользовании становятся не только основой для текущей инвентаризации, но и базисом для организации системы непрерывного мониторинга в будущем. Несмотря на имеющийся опыт картографирования сельхозугодий по данным высокодетальной космической съемки в других регионах, эволюция геоинформационных подходов непрерывно предлагает усовершенствованные методики оценки и картирования сельскохозяйственных земель [4, с. 171; 5].

Материалы и методы исследования

Процесс картографирования сельскохозяйственных угодий характеризуется рядом специфических особенностей. Ключевым условием достижения высокой точности итоговых карт выступает качество исходных данных. Традиционные методики опираются на применение материалов дистанционного зондирования Земли, различающихся по детальности: как данных высокого пространственного разрешения (например, со спутников Sentinel-2, Landsat 7/8/9), так и среднего разрешения (например, со спутников Terra, Aqua) [2, с. 9]. Однако с точки зрения достоверности результатов использование только этих данных не гарантирует их абсолютной корректности. Точность идентификации угодий в значительной мере определяется выбранным алгоритмом обработки информации, а также подбором комбинаций спектральных каналов. Примечательно, что не существует универсального решения – единой оптимальной комбинации каналов для дешифрирования даже активно обрабатываемых сельскохозяйственных площадей. Вследствие этого наиболее распространенной практикой при их выделении остается применение комбинации «естественные цвета» (каналы Red-Green-Blue) [4, с. 172]. Однако точность распознавания при таком подходе существенно варьируется в зависимости от уровня подготовки и опыта специалиста, выполняющего интерпретацию. Оптимальным подходом к картографированию сельхозугодий представляется методика, основанная на комплексном анализе разновременных материалов ДЗЗ, включающих как сверхвысокое, так и высокое пространственное разрешение. Именно такой комплексный анализ потенциально позволяет достигать максимальной точности определения границ и типов угодий, при этом погрешность выделения сельскохозяйственных земель обычно не превышает стандартного для картографических работ порога в 5%.

Такая методика имеет несколько особенностей, которые важно учитывать в процессе электронного картографирования:

1. Данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) сверхвысокого разрешения служат ключевой основой для точного картографирования. Среди доступных источников такого типа наиболее практичным решением выступает цифровая платформа Google Earth. Ее интеграция в геоинформационные системы реализуется посредством подключения WMS-слоев (сервисов веб-карт). Важной особенностью данных сверхвысокого разрешения является их мозаичная структура, объединяющая снимки, сделанные в разное время. Использование функционала Google Earth Pro позволяет определить дату съемки для каждого отдельного фрагмента этой мозаики. Эта возможность критически важна для установления и верификации наиболее актуальных на текущий момент границ сельскохозяйственных угодий.
2. Интеграция данных высокого пространственного разрешения, представленных в комбинации каналов «естественные цвета» (RGB), обеспечивает возможность уточнения границ сельскохозяйственных полей. Это особенно актуально для участков мозаики сверхвысокого разрешения, по которым доступны архивные материалы, датируемые периодом более двух лет. Учитывая высокую динамику изменения состояния и использования сельскохозяйственных угодий (включая переходы между обрабатываемыми и необрабатываемыми статусами), этап верификации границ с применением актуальных снимков высокого разрешения приобретает критическое значение в процессе картографирования. При выборе временного среза для верификации наибольшую информативность демонстрируют снимки, полученные в конце весеннего периода, когда на полях активно ведутся подготовительные работы к посевной кампании [3, с. 33].
3. Картографирование границ сельскохозяйственных угодий по данным сверхвысокого пространственного разрешения должно производиться в рабочих масштабах от 1:1000 до 1:5000. Это позволит добиться наибольшей точности в выделении, а также в подсчете посевных площадей.
4. Объекты антропогенного происхождения, которые хорошо различимы на материалах сверхвысокого разрешения, но не поддаются корректной идентификации на данных высокого разрешения, как правило, исключаются из процесса картографирования. К данной категории относятся такие элементы, как полевые дороги вдоль границ участков, площадки для стоянки сельхозтехники, противопожарные минерализованные полосы (опашка). В целом, невключение этих объектов в картографическую модель не приводит к существенному изменению геометрических характеристик полигонов, описывающих основные контуры угодий. Однако при последующем геоинформационном анализе с использованием данных, включающих эти некартографированные участки (например, при расчете индекса NDVI или оценке степени смытости почв), присутствие подобных мелкоконтурных элементов способно провоцировать появление локальных аномалий. Эти аномалии, в свою очередь, могут искажать результаты расчетов и негативно влиять на достоверность дальнейших исследований [4, с. 172].
5. В процессе картографирования посевные площади различных сельскохозяйственных культур, а также паровые поля в пределах крупных контуров, ограниченных элементами инфраструктуры (дорогами, лесополосами), не подвергаются внутреннему разделению на карте. Основная причина этого заключается в высокой степени изменчивости (непостоянстве) границ севооборотов, проходящих в пределах одного поля. При этом важно отметить, что сам агрономический севооборот сельхозугодий представляет собой динамический процесс, принципиально отличный от относительной стабильности внешних границ полей. В связи с этим актуальная структура севооборота при необходимости подлежит локальному уточнению на основе дополнительных данных или обследований.
6. Картографирование техногенных объектов, например опор линий электропередач не производится при условии, если линейные размеры объекта менее размеров пикселя спутникового изображения.

Результаты и обсуждение

В качестве района исследования выбран Мясниковский район Ростовской области. Площадь района составляет 880 км². По данным Федеральной службы государственной статистики, по состоянию на 2024 г., на территории Мясниковского района, посевные площади сельскохозяйственных культур составили 490,8 км².

Методами электронного картографирования на территории района выделено 791 поле общей площадью 571,47 км² обрабатываемой пашни (рис.).

Рис. Карта сельскохозяйственных угодий Мясниковского района Ростовской области

Таким образом, электронное картографирование обрабатываемых площадей по данным ДЗЗ позволило выявить различия между фактическими данными и статистическими. Фактическая посевная площадь составляет 116,4% от официальной, что свидетельствует о необходимости дополнительного мониторинга территории.

Заключение

Разработанная методика картографирования, базирующаяся на комплексном применении материалов сверхвысокого пространственного разрешения с последующей верификацией по данным высокого разрешения, продемонстрировала высокую эффективность в аспекте оптимизации временных и трудовых ресурсов. Полученные в результате геоданные обладают значительным потенциалом для использования в широком спектре прикладных и научных задач, включая системы мониторинга, инвентаризационные работы и проектирование лесомелиоративных мероприятий. Сравнительный анализ результатов картографирования с официальными статистическими сведениями выявляет существующие расхождения, что создает основу для более оперативного обновления информационных баз. Перспективным направлением является интеграция этих данных с расчетами вегетационных индексов, что открывает возможности для ежегодной актуализации схем севооборотов в масштабах района и проведения детальной оценки фитосанитарного состояния сельскохозяйственных культур.