Учебный модуль 2
Базовое проектирование агротехнологий в ГИС
Модульная единица 2.1.
Практическое занятие. «Особенности почвенно-ландшафтного картографирования и формирования агроГИС для проектирования агротехнологий»
Цели и задачи. Сформировать представление о почвенно-ландшафтном картографировании земель и умение пользоваться агроГИС для проектирования агротехнологий.
Аннотация. «Рассматриваются треюования к почвенно-ландшафтным картам, процедура формирования агроГИС для проектирования агротехнологий.
Ключевые слова: агропроизводственные группировки почв; почвенно-ландшафтные карты, АгроГИС, электронные карт-слои, лцифровка, GPS, Геоморфологическая карта, карта СПП, карта видов земель, базы данных.
Рассматриваемые вопросы.
1. Требования к почвенно-ландшафтным картам.
2. Формирование АгроГИС
Задание.
Разработать карту агроэкологических видов земель в агроГИС, на основе материалов почвенно-ландшафтного картографирования и набора тиматических электронных карт земельного массива (фонды кафедры почвоведения РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева).
Комментарий
Требования к почвенно-ландшафтным картам
Новая система землеоценки значительно отличается от традиционной, практиковавшейся при разработке проектов зональных систем земледелия. Соответственно требуют иного подхода принципы и методика составления картографических материалов. Основой их до настоящего времени служили агропроизводственные группировки почв, которые разрабатывались по материалам крупномасштабных почвенных карт. Существенные их недостатки: крайне слабое отражение структуры почвенного покрова, недостаточное отражение рельефа, литологических и гидрогеологических условий. Практически не учитывались почвенно-ландшафтные связи.
Иерархический принцип выделения земельных категорий (вид, тип, группа земель) и соответствующая иерархия элементов проектирования систем земледелия делают необходимым отражение структуры ландшафта и внутриландшафтных связей. В отличие от агропроизводственных групп – не связанных между собой участков почв, – агроэкологические группы земель представляют собой общности видов земель, пространственно характеризуемые как геосистемы, функционирующие в единой цепи миграции вещества и энергии.
Особую роль в картографировании играют геоморфологические и литологические условия – не только как факторы дифференциации и индикации почвенного покрова, но и как самостоятельные факторы земледелия.
Базовой составляющей картографирования является показ структуры почвенного покрова, т. е. пространственного размещения почв, связанного с литолого-геоморфологическими условиями.
Опыт почвенно-ландшафтного картографирования показывает, что подавляющее большинство почвенных контуров наряду с элементарными почвенными ареалами представлено различными комбинациями (комплексами, пятнистостями, мозаиками, ташетами), среди которых довольно велика доля контрастных (особенно комплексов).
Почвенно-ландшафтные карты должны составляться в масштабе 1: 10 000 с показом элементарных ареалов агроландшафта и сопровождаться данными по агроэкологической оценке каждого ЭАА. Легенда составляется на базе агроэкологической классификации земель. При составлении почвенно-ландшафтной карты используются: топографическая карта масштаба 1: 10 000, аэрофотоснимки, материалы почвенных крупномасштабных обследований Росземпроекта, землеустроительные планы, фондовые материалы.
Требования к содержанию крупномасштабных почвенно-ландшафтных карт (1: 10 000) на примере южно-таежно-лесной зоны
| Показатель | Требования к отражению | |
| Объект | ЭАА | |
| Минимальный контур | 0,25 га (при меньших размерах – внемасштабные знаки с локализацией в пределах контура) на бумажных картах | |
| Элементы содержания карты | Почвенный покров | Обозначение почв на уровне разрядов Число компонентов ЭПС 2…3 (в исключительных случаях 4) Градации соотношения компонентов почвенного покрова: среднеконтрастных – до 10 %, 10…25(30) %, 25(30)…50 %; сильноконтрастных – до 5 %, 5…10 %, 10…25(30) %, 25(30)…50 % |
| Литология | Характеристика до глубины не менее 2 м Генетический тип почвообразующих пород Гранулометрический состав пород Химические особенности пород (карбонатность, засоленность) | |
| Рельеф | Элемент рельефа Крутизна склона Форма водосбора (прямая, рассеивающая, собирающая, волнистая) Форма профиля (прямая, выпуклая, вогнутая, ступенчатая) Тип микрорельефа (по происхождению и морфологии) | |
| Гидрогеология | Тип водного питания Уровень грунтовых вод | |
| Растительность | Вид угодья | |
| Элементы базы данных, не показываемые на карте | Геохимия | Вид элементарного геохимического ландшафта Геохимические барьеры Направление миграции |
| Микроклимат | Относительная теплообеспеченность Относительное увлажнение Заморозкоопасность Скорость снеготаяния Средняя высота снежного покрова Ветроударность | |
| Флора и фауна | Биоценоз Растительная ассоциация Проективное покрытие Бонитет (для лесных насаждений) Возраст Виды и численность вредных организмов Засоренность Виды и численность полезных организмов | |
| Почвы | Агрохимические показатели Физические свойства | |
| Литология | Водопроницаемость | |
| Гидрогеология | Локализация верховодки Динамика верховодки Глубина капиллярной каймы |
Требования к содержанию почвенно-ландшафтных карт показаны в таблице 1.
Формирование АгроГИС
Применительно к задачам почвенно-ландшафтного картографирования геоинформационная система (ГИС) представляет собой программно-аппаратный комплекс, основой которого являются цифровые карты с привязанными к ним базами данных.
ГИС состоит из 2 больших блоков: электронные карты с базами данных и средства обеспечения функционирования ГИС. Последние разделяются на аппаратные (компьютеры, локальные сети, мониторы, принтеры, плоттеры, сканеры, GPS-системы и т.п.), программные (программы для построения ГИС – MapInfo, ArcView, ArcInfo, Ergas Imaging и др.) и человеческие (операторы, создающие и поддерживающие ГИС).
Применение ГИС для агроэкологической оценки земель позволяет перевести на новую качественную основу решение этой сложной проблемы, особенно при проектировании интенсивных систем земледелия и агротехнологий, не говоря уже о высоких агротехнологиях и адаптивно-ландшафтных системах земледелия высокой точности. Создание землеоценочной основы для точных систем земледелия практически невозможно без ГИС-технологий.
Важнейшие достоинства ГИС:
Ø легкость обработки больших объемов информации. (ГИС представляет широкие возможности по комбинации, сортировке, выборке данных; легко рассчитываются площади и параметры контуров);
Ø большая наглядность представления информации, достигаемая созданием большого числа тематических карт;
Ø возможность автоматизации процесса создания карт;
Ø легкость внесения изменений, возможность создания систем автоматического внесения изменений в базу данных;
Ø возможность широкого использования информации, поступающей от средств дистанционного зондирования Земли (авиационных и космических);
Ø большая точность карт, особенно при использовании систем глобального позиционирования (GPS);
Ø возможность создания диалоговых справочно-консультативных систем;
Ø удобство хранения, копирования, воспроизводства информации на любых носителях, более высокая надежность хранения информации.
Использование ГИС-технологий при почвенно-ландшафтном картографировании связано прежде всего с оцифровкой картографического материала. Используется несколько методик оцифровки, в зависимости от имеющегося оборудования, программного обеспечения и квалификации персонала. Общей позицией является сканирование топографической основы и присвоение координат получившемуся растровому изображению. Выбор координатной системы зависит от топографической основы. Если на основе имеется координатная сетка, проектирование ведут в координатной системе топографической основы, при использовании GPS-систем применяют значения, полученные с помощью GPS-приемников.
Одновременно сканируется и регистрируется план внутрихозяйственного землеустройства.
Далее создается электронная геоморфологическая карта. Существует несколько вариантов ее создания: оцифровка топографической основы с получением трехмерной цифровой карты рельефа либо оцифровка предварительно изготовленной вручную на бумажной топографической основе карты форм и элементов рельефа. Первый вариант более точен и нагляден, в перспективе он открывает широкие возможности по автоматическому проектированию, однако он, как правило, значительно более трудоемок и предъявляет высокие требования к программно-аппаратному обеспечению и квалификации персонала. Второй вариант менее точен, но значительно проще в исполнении. Оцифровка бумажного оригинала может осуществляться также двумя способами - либо ручной отрисовкой контуров на зарегистрированной топографической основе или зарегистрированной отсканированной карте, либо автоматически с применением векторизаторов, оцифровывающих отсканированную с кальки сетку контуров. Одновременно с картой форм и элементов рельефа оцифровывается полученная в результате проведенного картирования почвенная карта, а также на базе плана внутрихозяйственного землеустройства создаются электронные карты существующих полей севооборота, границ хозяйства, посторонних землепользователей, дорог, лесополос, гидрографической сети и водоемов, сенокосов и пастбищ, производственных площадей.
Результаты этой работы представляются в виде комплекса электронных карт:
Ø мезорельефа (с показом мезоформ рельефа, форм склонов);
Ø крутизны склонов;
Ø экспозиции склонов (теплые, холодные, нейтральные);
Ø микрорельефа (с показом контуров с преобладанием тех или иных форм микрорельефа, имеющих агрономическое значение);
Ø микроклимата;
Ø уровня грунтовых вод, их минерализации и состава;
Ø почвообразующих и подстилающих пород;
Ø микроструктур почвенного покрова;
Ø содержания гумуса в почве;
Ø обеспеченности подвижными формами элементов минерального питания растений и микроэлементами;
Ø значения рН почв;
Ø физических свойств почв;
Ø загрязнения тяжелыми металлами, радионуклидами и другими токсикантами;
Ø эродированности почв, подверженности эрозии и другим видам физической деградации (оползней, селей и др);
Ø переувлажнения и заболоченности почв, в том числе вторичного гидроморфизма, подтопления, мочарообразования и др.
Ø засоленности почв (типов и степени засоления);
Ø солонцеватости почв;
Ø растительного покрова с оценкой состояния естественных кормовых угодий;
Ø лесной растительности с оценкой состояния природных лесов и лесных насаждений;
Ø распределения полезных видов животных, птиц, полезных энтомофагов, оценкой их территориального влияния;
Ø фитосанитарного состояния посевов; и других.
Количество электронных тематических карт-слоев зависит от сложности ландшафтно-экологических условий и уровня интенсификации производства.
Каждая электронная карта имеет базу данных, содержащую соответствующую тематике карты информацию по каждому контуру. Например, база данных электронной карты микроструктур почвенного покрова может содержать следующую информацию: номер контура; индекс почвенной комбинации; полное название почвенной комбинации; соотношение почв в СПП, степень сложности и контрастности, положение в геохимическом ландшафте, геохимические барьеры, агроэкологические параметры почв.
Все электронные карты имеют единую систему координат, привязанную к отсканированной топографической основе масштаба 1:10000.
Путем взаимного наложения тематических электронных карт-слоев формируется комплексная карта агроэкологических групп и видов земель, то есть элементарных ареалов агроландшафта.
Сначала выделяют группы земель по условиям рельефа, накладывая на почвенную карту карту распределения склонов по уклонам; затем накладывают карты переувлажненных и солонцовых земель, выделяя группы по степени переувлажнения и степени развития солонцового процесса. Аналогично могут выделятся группы засоленных, литогенных и других земель. Далее, используя карты эродированных, переувлажненных, солонцеватых земель, карты распределения склонов по формам и экспозициям, карту развития форм микрорельефа, внутри агроэкологической группы выделяют виды земель. К отрисованной карте агроэкологических групп и видов земель привязывается база данных.
Эта карта сопровождается пояснительной запиской, в которой помимо разъяснительных комментариев, дается анализ современного использования земель и экологических последствий. При этом особое внимание уделяется идентификации очагов деградации: оврагообразования, дегрессии пастбищ, различных проявлений вторичного гидроморфизма и засоления почв, оползней, карстов, селей, загрязнения токсичными веществами, отходами производства и быта, промышленного нарушения почвенного покрова и т.д. Дается оценка состояния гидрографической сети, хозяйственных водоемов, заиления рек и озер, загрязнения поверхностных и грунтовых вод, характеристика поверхностного и грунтового стока. Эта оценка сопровождается анализом причин деградации и загрязнения ландшафтов, влияния хозяйственного использования земель на состояние водных источников. Указываются источники загрязнения земель и вод. Анализируют влияние осушительных и оросительных мелиораций на состояние мелиорируемых земель и смежных ландшафтов. Дается характеристика лесистости, состояния лесных насаждений, их влияния на посевы с точки зрения микроклимата, фитосанитарных условий, урожайности в связи с различным их состоянием. Дается анализ состояния естественных кормовых угодий в связи с их использованием. Характеризуются переложные, залежные участки земель, выявляется состояние водоохранных зон, прибрежных полос.
Карта агроэкологических групп и видов земель с базой данных и пояснительной запиской является основным заключительным документом изыскательских работ. В ней содержится вся необходимая информация для принятия проектных решений по размещению сельскохозяйственных культур, дифференциации технологий их возделывания при различных уровнях интенсификации производства, оптимальной организации территории с учетом ландшафтных связей, то есть формирования систем земледелия. Эта информация необходима и достаточна также для проектирования животноводства, решения социально-экологических задач, то есть для разработки проекта внутрихозяйственного землеустройства (проекта сельскохозяйственного производства).
Применение ГИС-технологий для агроэкологической оценки земель и почвенно-ландшафтного картографирования требует соответствующего базового и аппаратного обеспечения. Из существующего разнообразия программного обеспечения ГИС выделяются 2 пакета, имеющие наиболее широкое распространение как в России, так и в мире. Это пакеты Arclnfo (и его сильно облегченная версия Arc View) и Maplnfo. В настоящее время представляется более предпочтительным использование программы Maplnfo, отличающейся большими возможностями по созданию различных ГИС, относительно невысокой стоимостью, удачной русификацией, совместимостью с другими распространенными программами ГИС и всеми распространенными версиями операционной системы Windows, широкой поддержкой и частым выходом новых версий. Необходимо отметить, что в России Maplnfo во многом стала стандартом "де-факто" в области создания ГИС.
Кроме программы ГИС, необходима соответствующая операционная система (MS Windows 2000/XP Pro или другими), офисный пакет (как правило, MS Office), графический редактор (как правило, Adobe Photoshop), программа для записи дисков и антивирус. Значительно облегчают работу по оцифровке карт программы-векторизаторы (например, Easy Trace).
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются требования к землеоценочной основе для проектирования агротехнологий различных уровней интенсификации?
2. В чем недостатки традиционных агропроизводственных группировок почв в качестве современной землеоценочной основы?
3. Какое значение имеет отражение почвенно-ландшафтных связей в АгроГИС?
4. Какова структура АгроГИС?
5. Охарактеризуйте базовые электронные карты АгроГИС.
6. Как выделяются агроэкологические виды, типы и группы земель в АгроГИС?
7. Какие агроэкологические показатели включает база данных для агроэкологических видов земель?
8. Программное обеспечение АгроГИС.
9. Агрогеоинформационное обеспечение почвенно-ландшафтного картографирования и построения АгроГИС.