статьи

Перспективы применения данных дистанционного зондирования Земли из космоса для повышения эффективности сельского хозяйства в России

28.01.2009
Авторы: Абросимов А.В., компания «СОВЗОНД», к.т.н. , Дворкин Б.А., компания «СОВЗОНД, к.т.н.
Сельское хозяйство — одна из самых перспективных сфер для использования данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в целях повышения интенсификации животноводческого и особенно растениеводческого производства. Сельскохозяйственные культуры отлично проявляются на космических снимках, они ничем не скрыты, одноярусны, хорошо дешифрируются как по текстуре, так и по спектральным характеристикам.

Методы ДЗЗ широко используются в агропромышленном комплексе многих стран мира (США, Канада, страны Евросоюза, Индия, Япония и др.). К наиболее известным примерам действующих систем сельскохозяйственного мониторинга можно отнести проект MARS (The Monitoring of Agriculture with Remote Sensing; разработка Объединенного исследовательского центра Еврокомиссии по мониторингу сельскохозяйственных земель), который позволяет определять площади посевов и урожайность сельскохозяйственных культур, начиная с уровня государств и регионов и вплоть до отдельных ферм. Результаты расчетов используются для налогового контроля за производителями продукции, выработки гибкой системы цен и квот, планирования экспортно-импортных операций  и других мероприятий. Аналогичная система используется Минсельхозом США.

В России разрабатывается национальная Космическая система дистанционного зондирования Земли для мониторинга земель сельскохозяйственного назначения. Работа ведется в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия (2008‑2012 гг.), в которой на создание системы государственного информационного обеспечения в сфере сельского хозяйства (куда попадает и использование технологий ДЗЗ) выделено около 4,5 млрд руб.

Согласно данным Росстата в 2007 г. посевная площадь в стране составила 76,4 млн га. Управление сельскохозяйственным производством на различных уровнях требует наличия объективной и регулярно обновляемой информации. Для адресных инвестиций в агропромышленный комплекс необходимо проведение инвентаризации сельхозугодий. Здесь, на наш взгляд, при существующей в стране традиционной системе получения данных о состоянии сельскохозяйственных земель возникают практически непреодолимые (без применения технологий ДЗЗ) сложности.

Для проведения учета,  инвентаризации и классификации сельхозугодий необходимо наличие специальных крупномасштабных сельскохозяйственных планов и карт. В СССР и России крупномасштабная сельскохозяйственная (или земельная) съемка никогда системно в общегосударственном масштабе не проводилась. Имеющиеся в наличии разнородные планы и карты сельхозугодий по районам и хозяйствам безнадежно устарели, так как создавались в советские времена. Кроме того, они зачастую примитивны по содержанию (показаны только границы угодий), не обладают единой координатной привязкой, топооснова их искажена (из-за существовавших в те времени инструкций по соблюдению секретности). Происходившие в стране в начале 1990-х гг. перестроечные процессы существенно затронули аграрный сектор. Многие земли были выведены из оборота и брошены. За прошедшие с тех пор годы часть этих земель пришла, практически, в негодность с точки зрения возможности сельскохозяйственного использования (например, заросла лесом). Естественно, что эти явления никакого отражения на старых планах и картах не имеют, поэтому пользуясь ими, предполагаемый инвестор даже приблизительно не может подсчитать площади потенциальных сельхозугодий.

Из вышесказанного следует, что важнейшей задачей, которую необходимо, в первую очередь, решать с помощью данных ДЗЗ в аграрном секторе экономики России является инвентаризация сельхозугодий и создание специальных тематических карт. Сельхозугодья, брошенные, засоренные, зарастающие (в т. ч. и лесной растительностью) земли хорошо дешифрируются по текстуре изображения. В наличии имеется большой массив архивных снимков, который может оказать существенную помощь. Если, взять, например, снимки Landsat 90-х гг. и провести их сравнение с современными, то несложно выявить земли, пришедшие в негодность и которые невозможно вернуть в оборот  без громадных финансовых вложений.

Рис 1. Оценка урожайности на уровне хозяйства

На сегодняшний день для инвентаризации сельскохозяйственных земель и создания специальных карт наиболее перспективны с точки зрения «цена —качество» данные с японского спутника ALOS. Сенсор PRISM, которым снабжен спутник, в основном, и предназначен для картографирования. Он состоит из трех объективов для визирования вперед, вниз и назад, и каждый объектив обеспечивает пространственное разрешение 2,5 м. Для PRISM характерна не только высокая разрешающая способность, но также и достаточно широкая полоса съемки — до 35 км. Наиболее революционный параметр, выделяющий съемочную систему среди других – высочайшая точность геопозиционирования снимков, только по орбитальным данным без выполнения каких бы то ни было наземных изысканий. Использование RPC (коэффициентов рационального полинома) поставляемых вместе со снимками позволяет получать геопространственную основу с точностью геопозиционирования не хуже 10 м RMS, что вполне удовлетворяет задачам сельскохозяйственного картографирования в масштабе до 1:25 000. Оптическая система PRISM, основанная на трех зеркалах, не имеет хроматической аберрации по всему полю обзора и дает четкие изображения, что не маловажно для дешифрирования и определения границ различных видов сельхозугодий и земель. Следует отметить, что стоимость цифровых изображений с КА ALOS существенно ниже, чем с других спутников с аналогичным разрешением (например, SPOT-5 или Cartosat-1), а себестоимость камеральных работ при построении ортотрансформированных изображений для создания картографической продукции достаточно низкая.

Сельскохозяйственное картографирование с использованием данных ДЗЗ должно обеспечить составление карт 3-х уровней:

    карты административных районов;
    карты отдельных хозяйств;
    карты отдельных угодий (конкретных полей, пастбищ, сенокосов и т. д.)

Технология дешифрирования снимков для задач тематического картографирования с применением программного комплекса ENVI хорошо отработана специалистами компании «Совзонд», поэтому, создание специальных сельскохозяйственных карт, например, на регион средней полосы Европейской части России может занять не более 2 месяцев.

Следующая важная и безусловно перспективная область применения технологии ДЗЗ в аграрной сфере — мониторинг сельскохозяйственных культур.

Типичными задачами здесь являются:

    обеспечение текущего контроля за состоянием посевов сельскохозяйственных культур;
    раннее прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;
    мониторинг темпов уборки урожая одновременно по территориям крупных регионов;
    определения емкости пастбищ различных типов и продуктивности сенокосов;

и др.

Эти задачи решаются систематическими повторными съемками, которые обеспечивают наблюдение за динамикой развития сельскохозяйственных культур и прогнозирование урожайности. Используя при дешифрировании различия в спектральных яркостях растительности в течение вегетационного периода  и индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) можно по тону изображения полей судить об их агротехническом состоянии и т. д.

Рис 2. Контроль уборки озимой пшеницы в Краснодарском крае

Следует сказать, что текущие результаты мониторинга становятся гораздо объективнее и точнее, когда они  совмещаются с актуальными и достаточно точными картами сельхозугодий. Сами же по себе задачи мониторинга решаются на этом фоне эффективнее и с существенно меньшими затратами, так как нет необходимости использовать полевые данные для определения границ полей и гораздо легче выполняется выделение эталонных участков. Если не брать в расчет такой аграрный сектор как «точное земледелие» (о котором будет сказано ниже), то для комплекса задач сельскохозяйственного мониторинга вполне подходят данные, полученные со спектрорадиометра MODIS, который установлен на американских спутниках Terra и Aqua. Что особенно привлекательно — данные MODIS находятся в свободном доступе, бесплатно  и практически в режиме реального времени распространяются Геологической службой США через Интернет. Спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) имеет 36 спектральных диапазонов с 12-битным радиометрическим разрешением в видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасном диапазонах, и производит регулярную съемку любой территории с пространственным разрешением 250 м, 500 м и 1 км. Период обращения спутников и ширина полосы съемки (до 2300 км) обеспечивают глобальное покрытие Земли данными наблюдений с периодичностью 2 раза в день, что позволяет получать детальную во временном отношении информацию о сезонном ходе развития растительного покрова. Наибольший интерес для мониторинга изменения качества растительного покрова представляют измерения отраженного излучения в красном (0,62‑0,67 мкм) и ближнем инфракрасном (0,84-0,88 мкм) спектральных каналах MODIS.

Особенное значение методы ДЗЗ приобретают в такой относительно новой сфере сельского хозяйства как «точное земледелие», суть которого состоит в том, что для получения с данного поля максимального количества качественной и наиболее дешевой продукции для всех растений этого сельхозугодья создаются одинаковые условия роста и развития без нарушения норм экологической безопасности. «Точное земледелие» внедряется путем постепенного освоения качественно новых агротехнологий на основе принципиально новых, высокоэффективных и экологически безопасных технических и агрохимических средств. Одно из первостепенных значений для «точного земледелия» имеет постоянный контроль за состоянием растительности. Важной составляющей технологии  «точного земледелия» является своевременное обнаружение и локализация участков угнетенного состояния растительности в пределах одного поля, что может быть вызвано самыми разными факторами: поражением растений вредителями, наличием сорной растительностью и т. д. Данные ДЗЗ для оперативного реагирования на ситуацию являются незаменимыми.  Для этого они должны удовлетворять  следующим условиям:

    возможность оперативного получения  данных ДЗЗ и их обработки;
    высокое и сверхвысокое разрешение для повышения точности определения биофизических параметров растительного покрова;
    наличие мультиспектрального режима для возможности использования при дешифрировании различия в спектральной яркости;
    достаточно частая периодичность съемки.

Этим условиям в полной мере отвечают данные с космического аппарата  Formosat-2, который был запущен 21 мая 2004 г. космическим агентством Тайваня — NSPO (National Space Organization). Основными преимуществами спутника являются маневренность (спутник может выполнять съемку с отклонением 45° от надира), возможность ежедневной съемки, а также более раннее прохождение над любой точкой Земли (9 ч 30 мин утра по местному времени, тогда как у большинства спутников — 10 ч 30 мин), что увеличивает возможность безоблачной съемки.

Хорошая перспектива в плане сельскохозяйственного мониторинга у группировки из пяти мини-спутников RapidEye, которые были запущены 29 августа 2008 г. RapidEye — первый в Германии проект ДЗЗ коммерческого назначения. Компания RapidEye AG — владелец группировки спутников — планирует предоставлять потребителям данные ДЗЗ разного уровня обработки: от необработанных снимков до ортотрансформированных на основе цифровых моделей рельефа изображений (с радиометрической и геометрической калибровкой). Новая группировка спутников позволит выполнять съемку одного и того же района Земли с периодичностью 24 ч с ежедневной площадью покрытия 4 млн кв. км. Маневренность аппаратов, большие площади съемки, возможность ежедневного мониторинга, а также высокое пространственное разрешение (до 5 м) делают использование данных, полученных от группировки спутников RapidEye, особенно перспективными в сельском, лесном хозяйстве и других отраслях.

Основные технические характеристики КА Formosat-2 и RapidEye

    

Formosat-2
    

RapidEye

Спектральный диапазон (мкм)
    

Панхроматический режим

0,45–0,90

Мультиспектральный режим

синий: 0,45–0,52

зеленый: 0,52–0,60

красный: 0,63–0,69

ближний ИК: 0,76–0,90
    

Мультиспектральный режим

синий: 0,44–0,51

зеленый: 0,52–0,59

красный (1): 0,63–0,69

красный (2): 0,69–0,73

ближний ИК: 0,76–0,85

Пространственное разрешение в надире (м)
    

Панхроматический режим — 2

Мультиспектральный режим — 8
    

6,5

Ширина полосы съемки (м)
    

24
    

77

Обработка
    

Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция

Приведение к картографической проекции

Периодичность съемки
    

24 ч

Возвращаясь к КА Formosat-2, следует отметить такую привлекательную возможность получения данных, как сервис «My Formosat», который позволяет заказчику самостоятельно осуществлять планирование новой съемки и получать данные со спутника. Основным преимуществом этого сервиса является оперативность заказа съемки, а также отсутствие необходимости в приобретении дорогостоящего оборудования. Подписчику сервиса «My Formosat» дается возможность зарезервировать определенную часть спутниковых съемочных мощностей.

В заключение следует отметить, что компания «Совзонд» предлагает комплексный системный подход в использовании данных ДЗЗ в сельском хозяйстве. Оптимальной выглядит следующая схема:

    Инвентаризация сельхозугодий и специальное сельскохозяйственное картографирование (данные КА ALOS/ PRISM)
    Сельскохозяйственный мониторинг  (КА Terra,Aqua/MODIS; для «точного земледелия» — КА Formosat-2 и RapidEye).

Для реализации схемы перспективным выглядит создание регионального (районного) Центра оперативного космического сельскохозяйственного мониторинга и пространственного анализа, который будет включать подразделения:

    получения и обработки информации в реальном режиме времени;
    динамического отображения информации в геоинформационной среде;
    информационно-аналитической поддержки принятия решений;
    связи и управления.

В состав системы могут быть включены мобильные полевые лаборатории, позволяющие оперативно решать целый ряд задач, таких, например, как выбор и мониторинг эталонных участков.
Компания «Совзонд» проводит обучение и консультации специалистов сельского хозяйства работе с программным комплексом ENVI, позволяющим дешифрировать и обрабатывать поступающую спутниковую информацию.

Возврат к списку

наверх