Оценка состояния сельскохозяйственных посевов краснодарского края по данным дистанционного зондирования: методика и результаты (стр. 1 )

УДК 528.46:711.14

На правах рукописи

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОСЕВОВ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ: МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ

Специальность 25.00.23 – физическая география, биогеография,

география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Краснодар – 2013

Работа выполнена на кафедре геоинформатики географического

факультета Кубанского государственного университета

Научный руководитель:	Доктор географических наук
Официальные оппоненты:	Доктор географических наук, заведующий кафедрой географии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК)
	Кандидат географических наук, начальник территориального центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций (Краснодарский край)
Ведущая организация:	Кафедра картографии и геоинформатики Московского государственного университета им.

Защита состоится 24 мая 2013 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.101.15 при Кубанском государственном университете 49, аудитория 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного университета (читальный зал), а с авторефератом – на сайте http://www.

Автореферат разослан ___ апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Для Краснодарского края, занимающего ведущее место по производству многих видов растениеводческой продукции в Российской Федерации, дальнейшее развитие растениеводства имеет стратегическое значение. Такому развитию при современных условиях хозяйствования способствует мониторинг состояния сельскохозяйственных посевов и земель, направленный, судя по существующим техническим разработкам, на решение целого ряда задач. Среди них – не только определение состояния озимых колосовых в разные периоды вегетации, оценка всхожести, засоренности, установление режима внесения удобрений, но и прогнозирование урожайности. Благодаря совершенствованию технологий дистанционного зондирования Земли, постоянно расширяются потенциальные возможности оперативной оценки состояния сельскохозяйственных культур на региональном и местном уровнях.

Вместе с тем, степень внедрения упомянутых технологий в Краснодарском крае явно не отвечает хозяйственной значимости растениеводства. Проблема действенного применения технологий дистанционного зондирования в сельскохозяйственной практике остается актуальной. Это относится к региональному и локальному уровням. В этом смысле территория Краснодарского края – не исключение. Необходимы соответствующие разработки, ориентированные на местную географическую специфику растениеводства.

В настоящее время использование результатов дешифрирования спутниковых снимков в отдельных хозяйствах сдерживается отсутствием таких разработок. Кроме того, некоторые задачи требуют самостоятельных исследований. Так, для субъектов сельскохозяйственной деятельности и управленческих структур АПК края важными задачами являются своевременное установление локальных пространственных аномалий в распределении посевов (в масштабе отдельного поля), особенно в ранневесенний период вегетации, а также идентификация сельскохозяйственных культур по данным спутниковых снимков. Своевременное решение этих задач должно способствовать оптимизации использования земельных ресурсов в Краснодарском крае, а в технологическом смысле – научному обоснованию применения материалов дистанционного зондирования в сельскохозяйственной деятельности.

Таким образом, в теоретическом плане актуальность настоящего исследования определяется необходимостью разработки методического обеспечения для мониторинга состояния сельскохозяйственных посевов региона. В практическом аспекте актуальность работы связана с достижением нового уровня информационного обеспечения растениеводства, базирующегося на материалах дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологиях.

Объект исследования – сельскохозяйственные посевы на территории Краснодарского края. Предмет исследования – методологические и прикладные аспекты применения данных дистанционного зондирования для оперативной оценки состояния сельскохозяйственных посевов.

Цель исследования – разработка и реализация научно-методических основ оперативной оценки состояния сельскохозяйственных посевов по материалам спутниковых снимков, прежде всего, в части определения локальной пространственной структуры посевов. Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

1.  Проанализировать и обобщить литературные, фондовые и прочие материалы, характеризующие применение спутниковых данных для мониторинга сельскохозяйственных посевов и земель, в том числе с использованием вегетационных индексов.

2.  Разработать метод автоматизированной ранговой оценки полей по признаку локальной (не)равномерности распределения фитомассы с использованием вегетационного индекса по данным спутниковых снимков на дату съемки.

3.  Разработать метод расчета площади неблагоприятных участков сельскохозяйственных посевов на основе приемов нечеткой классификации.

4.  Разработать и проанализировать эффективность предложенных способов распознавания различных сельскохозяйственных культур по данным спутниковых снимков.

5.  Создать картографическое web-приложение для отображения показателей сельского хозяйства Краснодарского края.

В качестве исходных данных настоящего исследования использованы снимки коммерческих микроспутников RapidEye для удаленного мультиспектрального зондирования с пространственным разрешением 6,5 м (на даты 12.07.2009, 28.04.2010, 02.05.2010, 13.06.2010); данные спутника Landsat 5 TM разрешением 30 м (сентябрь 2008 г. – октябрь 2010 г.); векторные данные (границы сельскохозяйственных полей) со сведениями о хозяйствах, предоставленные Министерством сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края; кадастровые данные; статистические сборники по АПК края (2005-2010 гг.).

Диссертация написана на основании исследований автора в 2010-2013 гг., а также материалов, полученных в результате творческого сотрудничества с Министерством сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края. Лично автором выполнена обработка спутниковых снимков и векторных границ полей, рассчитаны вегетационные индексы, выполнен анализ распределения посевов в исследуемых районах, создано картографическое web-приложение. С непосредственным участием автора разработаны методика определения локальной неравномерности посевов, а также аппарат автоматизированного расчета статистических показателей.

При разработке методических и теоретических основ диссертации особое значение имели работы, посвященные теоретическим обоснованиям вегетационных индексов (, , R. D. Jackson, R. E. Crippen и др.), применению их для оценки состояния сельскохозяйственных посевов (R. Benedetti, D. Jiang, A. K. Prasad, , и др.), распознаванию вида сельскохозяйственных культур по спутниковым данным (A. J.W. De Wit, M. Turker, C. Conrad, С. Кохан, ), нечеткой классификации (A. B. McBratney, J. C. Bezdek, J. J. DeGruijter, и др.).

В ходе исследования реализован комплекс дистанционных (спутниковая съемка) и камеральных методов. В процессе обработки и анализа материалов применены методы ГИС-картографирования, статистики, нечеткой классификации. Основу программного обеспечения составили продукты ArcInfo, ArcGIS Server (Esri, США), ENVI (США), BoundarySeer (США), Microsoft Visual Studio 11 (США).

Научная новизна обусловлена оригинальными подходами к оценке состояния сельскохозяйственных посевов по данным спутниковых снимков.

1.  Обоснована и реализована методика автоматизированной ранговой оценки состояния сельскохозяйственных полей по показателям локальной (не)равномерности посевов.

2.  Разработана методика количественной оценка состояния посевов, опирающаяся на использование методов нечеткой классификации и позволяющая выделять дефектные участки на полях с расчетом их площади.

3.  Предложены методы идентификации сельскохозяйственных культур (метод пороговых значений индекса NDVI и метод классификации с обучением).

4.  Исследована сезонная динамика индекса NDVI для различных сельскохозяйственных культур, полей под паром, а также озимых и яровых культур.

5.  Создано web-приложение для картографической визуализации показателей АПК Краснодарского края.

Все результаты оценки состояния сельскохозяйственных посевов на исследуемой территории по данным спутниковых снимков, полученные посредством предлагаемых методов, являются новыми по существу.

На защиту выдвигаются следующие разработки и результаты:

1.  Метод автоматизированной ранговой оценки полей по признаку локальной (не)равномерности распределения фитомассы с использованием индекса NDVI по данным спутниковых снимков.

2.  Метод расчета площади дефектных участков сельскохозяйственных посевов, основанный на нечёткой классификации.

3.  Результаты оценки локальной (не)равномерности сельскохозяйственных посевов в границах полей для тестовых районов края (Абинский, Крымский, Северский, Славянский, Староминской, Тимашевский).