Обґрунтування технологій дистанційного зондування земельних ресурсів України

Для вирішення проблем екологічної безпеки потрібна неупереджена система моніторингу, у якій інформація була б актуальною, адекватною, доступною і наочною з можливістю порівнювання чинників, що впливають на екологічну безпеку країни. А це можливе тільки із застосуванням методів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ).

Методи дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) базуються на реєстрації і подальшій інтерпретації відбитої сонячної радіації від поверхні ґрунту, рослинності, води та інших обєктів. Винос пристроїв, що реєструють, у повітряний або навколоземний простір дозволяє одержати значно більш широке охоплення території порівняно з наземними методами досліджень. При дистанційному зондуванні значний вплив на якість і застосовність одержуваних даних чинять спектральний діапазон зйомки, просторова точність, радіометрична точність, просторове охоплення, оперативність і повторюваність зйомки, вартість даних.

Фіксування випромінювання виконується як з використанням хімічних фотографічних методів, так і електронних фоточутливих елементів. У першому випадку зображення поверхні Землі фіксується на фотоплівці, що вимагає доставки її на поверхню Землі, проявлення і друку знімків. Для наступного сеансу зйомки необхідний запуск нового космічного апарата, тому в наш час ця технологія практично не використовується на автоматичних супутниках. Основний обсяг даних ДЗЗ виробляється за допомогою електронних приладів, що фотореєструють відбиту сонячну радіацію так званих приладів із зарядовим звязком -- ПЗЗ. Ці прилади дозволяють реєструвати різні діапазони хвиль відбитої сонячної радіації як у видимій, так і в ультрафіолетовій та інфрачервоній спектральних зонах.

На основі таких елементів створюються електронні скануючі пристрої, що можуть установлюватися на різних космічних апаратах, призначених для зйомки атмосфери, океану і поверхні суші. При встановленні радіолокаційних систем такі супутники можуть визначати висоту і довжину хвиль, рівень водної поверхні, розливи нафтопродуктів на поверхні води. З природно-ресурсних супутників ведуться спостереження за кольором і щільністю рослинного покриву, кольором і текстурою ґрунтів, кольором води, температурою земної поверхні. З космосу здійснюється високоточна зйомка для топографічного картографування, радіолокаційна зйомка рельєфу і вологості поверхневого шару ґрунту. Зйомка ведеться безупинно згідно з маршрутом прольоту супутника, дані постійно передаються на наземні станції.

На наземних станціях виконується обробка інформації, що надходить: здійснюються геометрична корекція; радіометрична корекція; нарізка на ділянки визначеного розміру, привязування до системи координат і т.ін. Такі матеріали можуть передаватися замовнику протягом тижня після зйомки. Багато комерційних систем можуть проводити зйомку визначеної ділянки, для чого змінюється кут нахилу знімальної камери або орбіта супутника. У центрах обробки інформації накопичені великі архіви цифрових даних

Супутникове знімання є ефективним інструментом агромоніторингу. Воно дозволяє оперативно вирішувати такі завдання, як визначення площ посівів, контроль стану озимих після зимівлі, оцінка наслідків посухи, видова класифікація сільгоспкультур, контроль сівозміни тощо. Використання різночасних знімків дозволяє більш точно виконувати класифікацію сільгоспкультур і визначати їх стан за графіками вегетації.

Зростання антропогенних впливів на навколишнє природне середовище, негативні зміни його стану, приводять до необхідності удосконалювання і розвитку методів моніторингу природних обєктів і їх складових. Серед низки актуальних проблем, які потребують щонайшвидшого вирішення для забезпечення сталого розвитку суспільства, є встановлення критичних техногенних навантажень на природне середовище, моделювання процесів взаємодії і взаємопроникнення природних і антропогенних факторів, безперервний моніторинг цих процесів і прогнозування надзвичайних ситуацій.

Входження у світовий та європейський економічний простір потребує підвищення конкурентоздатності національного аграрного виробництва, розробки та запровадження нових інформаційних агротехнологій, більш досконалих методів контролю стану агро-ресурсів, їх управління та прогнозування. Затримка з надходженням інформації про стан агроресурсів на різні адміністративні рівні та виробничі структури негативно впливає на своєчасність та якість прийняття управлінських рішень, а також запровадження в АПК ДЗЗ/ГІС технологій. Їх першочергова роль полягає у забезпеченні обєктивної інформації про екологічні умови, властивості, стан та просторову структуру ландшафтів, у тім числі сільськогосподарських, або агроландшафтів. Тому важливим завданням є визначення шляхів вирішення проблеми проектування та впровадження автоматизованої системи моніторингу на основі інтеграції геоінформаційних технологій (ГІТ) і ДЗЗ які дозволяють візуалізувати і наочно подати певну територіально розподілену інформацію [1].

Для ефективного управління сільськогосподарським виробництвом потрібно володіти великим обсягом різноманітної оперативної та обєктивної інформації про структуру посівних площ, стан сільськогосподарських угідь, рослинності та ґрунтів, а також очікувану врожайність. Крім того, внаслідок зміни клімату планетарного масштабу (глобальне потепління) виникла необхідність перегляду існуючого агрокліматичного районування сільськогосподарських територій та стало актуальним питання корегування технологічних карт вирощування сільгоспкультур(оптимізація їх розміщення, корегування строків сівби та режимів зрошування тощо). Обєктивна інформація про стан культур у визначальні періоди їх росту і розвитку необхідна для оптимального управління їх продукційним процесом та забезпечення фахівців прогнозними даними.

Багато розвинених країн вже використовують космічну інформацію для господарської діяльності. У США, Франції, Англії, ФРН, а в останні роки - в Польщі, Угорщині, Чехії та Росії уже діють досить ефективні системи оперативного інформаційного забезпечення сільськогосподарського виробництва. Так, наприклад, ще 1978 р. США розгорнули програму космічного знімання FAS (Foreign Agricultural Servise), яке досі виконується відділом оцінки продукції та врожаю Міністерства сільського господарства. Опрацьована ефективна структура функціонування системи прогнозу врожаю, яка забезпечує моніторинг продовольчого ринку не тільки США, а й усього світового.

Створена і функціонує європейська система агромоніторингу за допомогою космічних засобів дослідження Землі - MARS (Monitoring Agriculture by Remote Sensing). Одним з елементів цієї системи є перевірка достовірності декларацій, поданих фермерами щодо площ посівів і урожаю с/г культур. Роботи розпочалися ще1992 р., а вже в1996-му на основі86 полігонів за даними космічного знімання були виконані роботи із загального моніторингу та проведено перевірку 122 тисяч декларацій. Середня тривалість періоду між отриманням знімку зі штучного супутника SPOT, як основного джерела космічної інформації, до передачі результатів замовнику не перевищує 5 діб.

Для України характерні значна густота населення і досить висока концентрація промислового та сільськогосподарського виробництва. Тому потрібно здійснювати оперативний контроль екологічного стану екосистем, навантаження на які в деяких регіонах перевищує екологічно допустимі межі. Це ускладнюється і негативним впливом на природу наслідків аварії на Чорнобильській АЕС, а також загрозою проникнення токсикантів із системи вода - порода в підземні води, які забезпечують водопостачання2/3 населених пунктів країни.

Методи оцінки продуктивності й моделі прогнозування врожайності, розроблені в УкрДНДПТІ «Агроресурси», базуються на наземній агрометеорологічній та агробіологічній інформаціях, які збирають у певні фази вегетації рослин. Надходження такої інформації забезпечує мережа агрометеостанцій Держкомгідромету, системи пунктів сигналізації та прогнозу поширення шкідників, хвороб і бурянів, системи карантину, сортовипробувань, станцій захисту рослин.

Моніторинг ґрунтів складається з періодичних обстежень ґрунтового покриву та угідь і оновлення на їх основі карт ґрунтів та землекористування. Існуюча система збору інформації є досить громіздкою[2]. Вона не забезпечує оперативність отримання інформації(наприклад, характеристик стану ґрунтів). У виробничому режимі можливе одержання результатів спостережень лише в окремих точках на невеликій кількості ділянок метеостанцій, станцій захисту рослин тощо. Існуюча система моніторингу є неефективною і через низьку якість лабораторного обладнання і устаткування для моніторингу. Деякі з лабораторій знаходяться у критичному стані. Багато лабораторій не мають елементарного устаткування і реагентів[3].

Тобто наявна мережа наземних спостережень не може забезпечити адекватною інформацією для завдань прогнозування на великих площах різних територіально-адміністративних рівнів.

Це вносить значну похибку при прогнозуванні за рахунок вирівнювання просторових неоднорідностей у розподіленні параметрів[2]. Виходячи з досвіду розвинутих країн, стало зрозумілим, що розробка і впровадження сучасних методів контролю екологічного стану агроландшафтів, систем землекористування, водних ресурсів, посівів, прогнозування урожаю та різноманітних кризових явищ піднімає сільськогосподарське виробництво на якісно новий рівень.

Оскільки інформація, що використовується для моніторингу ґрунтів має просторово-розподілений характер, то при розробці технологій введення, збереження, переробки, аналізу і візуалізації цієї важливої інформації доцільно застосовувати ГІТ і реляційні бази даних, які спроможні внести значний вклад у вдосконалення моніторингу навколишнього природного середовища (НПС) взагалі, а ґрунтів зокрема, забезпечуючи при цьому наочну основу для аналізу[4].

Автоматизована інформаційна система на основі ГІТ і ДЗЗ надасть більше можливостей і користі при проведенні робіт зі збору, обробки та аналізу інформації, ліквідує суттєві недоліки, які проявляються при наявному веденні цих робіт [1] і забезпечить отримання достовірної інформації про земельні ресурси, кризові та деградаційні явища, визначення стану посівів, прогнозування урожайності, аналізу динаміки кліматичних чинників, удосконалення агротехнологій, статистичної інформації, контролю субсидій та страхування тощо.

Дистанційні і наземні методи взаємно доповнюють один одного. Наземні виміри необхідні для дешифрування, інтерпретації даних, отримуваних з космічної орбіти. Маючи інформацію з космосу, можна істотно(в 10-1 000 разів) скоротити обсяг наземних досліджень; останні виконуються тільки на обмеженій кількості тестових(ключових) ділянок, які репрезентативно відбивають усі досліджувані класи обєктів. У процесі дешифрування аналізу даних ДЗЗ інформація, отримана на ключові ділянки, інтерполюється на усю досліджувану територію.

З урахуванням наведеного доцільно здійснювати моніторинг, що буде ґрунтуватись на інтеграції традиційних методів моніторингу і технологій ДЗЗ і ГІС. Це дозволить оперативно отримувати точну інформацію і адекватно відображати процеси і явища, що відбуваються на певній території і вирішувати цілий комплекс завдань дослідження стану і динаміки екосистем.

Автоматизована система агроекологічного моніторингу ґрунтів на базі ДЗЗ/ГІС технологій повинна дозволяти виконувати наступні роботи [1]:

- аналіз, відстеження і відображення просторово-часових змін агрохімічних і екологічних параметрів елементів ґрунтів протягом останніх років, що дозволить визначити їх динаміку;

- визначення і картографічне відображення розподілу хімічних елементів за сільгоспугіддями від рівня окремих господарств до рівня району, області і країни в цілому у вигляді безперервних поверхонь, що дозволить оцінити рівень геоекологічних перетворень та краще координувати агрохімічні заходи;

- автоматично обчислювати агроекологічний бал землі, що далі має використовуватися при проведенні якісної оцінки землі.

Дистанційне знімання може вестись в одному спектральному діапазоні, коли на зображенні фіксується одна або декілька зон спектра(наприклад, зелена і червона), або увесь видимий діапазон спектра(в цьому випадку зображення називають панхроматичним) [5]. Пан хроматичні зображення займають практично весь видимий діапазон електромагнітного спектра(ЕМС) (450-900 нм) і тому є чорно-білими.

Здійснення моніторингу з використанням панхроматичного знімання може допомогти у визначенні змін, повязаних з перетворенням обєктів, які ведуть до зміни їх інтегрального альбедо - порушення рослинного покриву (у тому числі й на болотах); заболочування земель; осушення земель; зміна берегової лінії водних обєктів тощо.

Незважаючи на ряд переваг, технологія багатоспектрального знімання приводить до фрагментації спектральних характеристик обєктів, а при зменшенні апертур телескопів і розширенні діапазону робочих довжин хвиль упритул до середнього інфрачервоного діапазону призводить до зниження просторової розрізненості отримуваних зображень, що в цілому порушує безперервність надходження спектральної і просторової інформації про обєкти. Так, для існуючих і перспективних багатоспектральних систем характерні обмежений вибір кількості робочих піддіапазонів довжин хвиль(зазвичай, не більше10 і з пробілами), порівняно низька розрізненість отримуваних зображень(зазвичай, 10-20 м) і мала точність топогеодезичної привязки обєктів (зазвичай, сотні метрів) [10].

Вищезазначені недоліки багатоспектрального знімання значною мірою можуть бути усунені при використанні гіперспектрального знімання земної поверхні за рахунок підвищення якості ви-явлення, розпізнавання та ідентифікації обєктів. За оцінками експертів, до 70 % усіх завдань зондування Землі можуть бути вирішені застосуванням результатів гіперспектрального знімання.