Код уникальной десятичной классификации: 504.53+711

Аннотация. Исследуется концепция мониторинга почв, как научного направления, его принципы и возможности применения в городском пространстве. Дистанционный мониторинг позволяет избежать лишних людских и временных затрат при анализе почв, позволяет более выборочно и точно охватывать большие площади, в краткие сроки выявлять проблемные зоны и зоны с наилучшими показателями. Данная практика все чаще применяется в качестве агросопровождения в исследовании парковых и лесных пространств города.

Ключевые слова: мониторинг почв, агроэкологическая оценка земель, городское пространство, парк, проблемные зоны, природные условия города

Мониторинг земель позволяет оперативно исследовать проблемную зону, тем самым в краткие сроки начать процессы ее восстановления и дальнейшей профилактики. Мониторинг как научное проявление стал развиваться с начала 70-х годов XX века, по причине ухудшения экологической обстановки и с развитием технических возможностей. Целью природного мониторинга, по мнению ЮНЕСКО, как указывается в программе «Человек и биосфера», является эффективное управление состоянием окружающей среды в условиях динамично развивающихся обществ. В 2015-2020 гг. дистанционный мониторинг земель был налажен в Департаменте земельных ресурсов города Москвы [3].

Технологический прогресс позволяет использовать современные наработки точного земледелия для оперативного контроля состояния биологического разнообразия в городе [6], а также диагностику состояния растительного покрова, выявление патологий, вредителей и болезней в черте большого города [10; 11].

Целью работы является изучение метода дистанционного зондирования в городской среде.

В связи с заявленной целью можно выделить следующие задачи исследования:

  • краткое описание методов методы мониторинга почвы;
  • общая характеристика дистанционного мониторинга почв;
  • выявление преимуществ и способов использования метода дистанционного зондирования.

Мониторинг городских земель осуществляется в целях сохранения зеленых легких города, разработки программ сохранения и восстановления плодородия почв. В ХХ веке были обозначены общие положения для создания основ дистанционного мониторинга почв и выявлены факторы, важные при учете изменений почв города и их техногенного загрязнения. К ним относят: влажность, кислотность / щелочность почв и их окислительно-восстановительный потенциал, содержание макро- и микроэлементов.

Методы мониторинга подразделяются на традиционные, в частности агрохимический и почвеногеологический анализы, проксимальные и дистанционное зондирование. Ранее использовались в первую очередь различного рода анализы, проводимые вручную с отобранными образцами почвы, основываясь на ее физических и химических свойствах. С развитием технологий ручной труд заменялся, в случае с проксимальным методом использовались различные датчики, устанавливаемые на машины или просто в черте города. Однако такой метод все еще был далек от идеала, в виду больших временных затрат и малой охватываемой территории наблюдения. В наше время спутник, самолет и беспилотный летательный аппарат (БПЛА или дрон [2]) считаются наиболее перспективными технологиями наблюдения за состоянием земель, плодородием / деградацией почв (засоление, заболачивание, загрязнение) и за изменением состояния растительного покрова (изменение видового состава, особенности вегетации) [4; 6]. Ставится задача формирования общей базы данных больших городов в целях более эффективного анализа, сопоставления и прогнозирования, например, Большого Берлина [8].

Дистанционный мониторинг (зондирование) основывается на отражательной способности объектов и на волновых свойствах света [5]. Применяемые для дистанционного зондирования аппараты работают в диапазоне от видимого света (длина волны – 5,6*10-11 м) до радиоволн (длина волны может варьироваться от 10-4 м до 1010 м).

Существуют два метода дистанционного зондирования земель (см. рисунок 1):

  • Пассивный – с использованием естественного отраженного или вторичного теплового излучения объектов на поверхности Земли, обусловленного солнечной активностью;
  • Активный – с использованием вынужденного излучения объектов, инициированного источником направленного действия.

Рис. 1. Сверху – пассивный метод ДЗЗ (источником служит солнечное излучение), снизу – активный метод ДЗЗ (источником волн является спутник) [13].

Рис. 1. Сверху – пассивный метод ДЗЗ (источником служит солнечное излучение), снизу – активный метод ДЗЗ (источником волн является спутник) [13].

Пассивный метод дистанционного зондирования применяется летом. Данные активных методов, а также тепловые данные в длинноволновом диапазоне не требуют особо благоприятных условий съемки. Более того, зимнее время года – самое подходящее для тепловидения, так как качество измерения улучшается при большей разности температур земли и воздуха.

Промежуточной средой, влияющей на отражательную способность и излучение, является толща атмосферы и облачность. Атмосфера поглощает часть отраженных световых волн, что искажает результаты, однако существуют так называемые «окна», которые практически свободно пропускают излучение.

Качество полученных данных зависит от вида разрешения:

  1. спектральное разрешение – волновые характеристик света, на которые настроена аппаратура;
  2. пространственное разрешение – размер различимых объектов;
  3. радиометрическое разрешение – количество градаций значений цвета для перехода от «абсолютно черного» к «абсолютно белому»;
  4. временное разрешение – частота получения снимков.

Характеристики полученных изображений, как выяснилось, зависят от природных условий (освещенность, сезон съемки и т. п.), технических параметров аппаратуры и техники управления процессом съемки.

Цифровое картографирование (ЦК) служит для наблюдения за геологическими объектами города для последующего их анализа на цифровых платформах. Основной функцией данного метода изучения и отображения рельефа является составление карт с пространственной привязкой, которые дают точное представление о конкретном районе города, дорожных артериях и других достопримечательностях.

Используя всем известную систему глобального позиционирования (GPS), основанную на совместной работе группы спутников и наземных приемников, определяют координаты, положение объекта и атомное время. В результате компиляции полученных данных и цифрового картографирования создается виртуальная карта.

Говоря о картах, стоит упомянуть геоинформационные системы (ГИС), в которых обрабатываются и хранятся пространственно-координированные данные. К примеру, во Франции образован государственный сайт открытого типа (Site du Conseil national de l’information géographique (CNIG), cnig.gouv.fr): карты, отчеты, статистические показатели и пр. [1, c. 24-29]. Аналог есть и в России, так называемый ФГИС АЗСН.

Цифровое моделирование рельефа городских пространств используется при морфометрическом анализе земельных участков [5], отражая горизонтали, высотные отметки, а также другие картографические элементы, в наше время – чаще всего, совместно с космическими снимками.

В морфометрическом анализе разделяют 4 группы основных показателей: абсолютные и относительные высоты; густота и глубина расчленения; уклоны и градиенты; конфигурация элементов гидрографии. Так формируется морфоизогипс: точки с одинаковой высотой соединяются линиями (горизонтальными проложениями). Такие морфометрические карты выявляют взаимосвязи рельефа с другими компонентами ландшафта города.

Для оценки плодородия / деградации земель используются вегетационные индексы: наиболее популярный NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – относительный показатель количества фотосинтетически активной биомассы, зависящий от значений отражения в зоне ближнего инфракрасного диапазона (англ. Near-Infrared, NIR) и отражений в зоне красного спектра (RED). В его основе лежит тот факт, что фотосинтетически активная биомасса, связанная с густой растительностью, уменьшает отражательную способность в RED и увеличивает в NIR, то есть, чем больше фитомасса, тем больше значение NDVI.

Помимо этого, существует множество других вегетационных индексов, таких как почвенный индекс SAVI, который устойчив к влиянию почвы и подходит для исследования как очень густого покрова, так и очень разреженного, в отличие от NDVI. Существует также его усовершенствованная версия – SARVI, устойчивая к влиянию атмосферы.

В качестве примера использования спутниковых систем, рассмотрим наработки российской компании «Совзонд» [4]. Этой компанией была создана система дистанционного мониторинга земель (СДМЗ) с использованием космических аппаратов среднего разрешения UK-DMC-2, Deimos-1, Nigeriasat-Х, группировки спутников высокого разрешения RapidEye и эталонных космических аппаратов сверхвысокого разрешения WorldView-1,2, GeoEye-1 [12]. Аэрокосмическая съемка, сочетается с данными, полученными в результате агрохимических анализов о состоянии земель.

В большей мере способ с использованием космических аппаратов подходит для государственного или мирового уровня мониторинга и недоступен рядовому потребителю в связи с дороговизной. Поэтому набирает популярность использование дронов и иных БПЛА.

На примере швейцарской компании «SenseFly» рассмотрим использование беспилотного летательного аппарата «eBee Ag» и полученных им спектрозональных данных [9]. Алгоритм заключается в программировании нужной траектории полета, скорости, высоты и конечной точки маршрута. В результате аэрофотосъемки оператор получает набор из спектрозональных снимков в формате TIFF, которые обрабатываются программой для постобработки данных «PostFight Terra 3D». БПЛА полностью автономен, для его управления требуется один человек.

Простота и эффективность такого метода делают его прорывным, позволяя выполнять те же задачи, что и государственные системы дистанционного мониторинга, но в более малых масштабах. К сожалению, в России и странах СНГ данная методика еще не приобрела всеобщий характер.

В последние годы в Российской Федерации была замечена тенденция спада плодородия почв, ухудшение состояния земель, особенно в черте больших городов.

Дистанционный мониторинг почв позволяет избежать лишних людских и временных затрат при анализе почв, а также более выборочно и точно проводить этот анализ, нежели при традиционных методах. ДМП позволяет охватывать большие площади и в краткие сроки выявлять проблемные зоны, либо зоны с наилучшими показателями. Данная практика все чаще применяется в качестве агросопровождения. Вдобавок, технологии дистанционного зондирования поверхностей и GPS дают возможность точнее контролировать изменения земель города.

Таким образом, с применением дронов и программного обеспечения исследователь может собирать и сравнивать спектральные снимки между собой, описывая формулами соответствующие правила сравнения и генерируя карты развития процессов.

Однако дистанционный метод не объясняет причин возникновения проблемы, он не указывает на конкретного возбудителя болезни растений, либо на внешние процессы, вызывающие эрозию почвы. В этом случае и требуется применение традиционных и проксимальных методов.


Remote monitoring of soils

Molev A.A.,
bachelor of the RUDN University, Moscow

Annotation. The paper studies the concept of soil monitoring as a scientific direction, its principles and possibilities of application in urban space. Remote monitoring makes it possible to avoid unnecessary human and time expenditures when analyzing soils, allows for more selective and precise coverage of large areas, reveals problem zones and zones with the best indicators in a short time. This practice is increasingly being used as an agro-support in the study of park and forest spaces in the city.
Keywords: soil monitoring, agroecological assessment of land, urban space, park, problem zones, natural conditions of the city.