Українська академія аграрних наук
Українська академія аграрних наук
ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ
ВЛАСОВА ОЛЕНА вЕНІАМІНОВНА
УДК 631.67:528.88 (15)
ІНФОРМАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЛАНУВАННЯ ЗРОШЕННЯ ЗА ПРОСТОРОВО РОЗПОДІЛЕНИМИ ДАНИМИ
06. 01. 02 - сільськогосподарські меліорації
(сільськогосподарські науки)
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата сільськогосподарських наук
Київ – 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії
аграрних наук (УААН)
Науковий керівник: | доктор сільськогосподарських наук,
старший науковий співробітник
Жовтоног Ольга Ігорівна,
Інститут гідротехніки і меліорації УААН,
завідувач лабораторії водокористування
Офіційні опоненти: | доктор сільськогосподарських наук,
професор, академік УААН,
Тараріко Олександр Григорович,
Інститут агроекології УААН,
головний науковий співробітник
кандидат сільськогосподарських наук,
старший науковий співробітник,
Шевченко Анатолій Миколайович,
Інститут гідротехніки і меліорації УААН,
завідувач відділу водних ресурсів
та водопостачання
Захист відбудеться “ 19“ вересня 2007 р. о 10 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01, Інституті гідротехніки і меліорації УААН, 03022, м. Київ вул. Васильківська, 37
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН, м. Київ - 03022, вул. Васильківська, 37
Автореферат розісланий “ “ 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Т.І. Топольнік
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Розвиток інформаційного забезпечення для вирішення проблем планування зрошення та ефективного використання зрошуваних земель передбачено „Комплексною програмою розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь на період до 2010 року”.
Актуальність роботи зумовлена необхідністю удосконалення існуючого інформаційного забезпечення планування зрошення. Проблема полягає у неможливості існуючими методами оперативно визначати стартові та поточні вологозапаси, отримувати об’єктивну інформацію про виконання поливів, динаміку фактичних площ зрошення, стан посівів та прогнозований рівень урожаю на великих за площею територіях. Для розв’язання проблеми необхідним є розробка методів одержання та використання фактичної просторово розподіленої інформації.
Сьогодні, завдяки пасивному – найбільш поширеному методу дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) з космосу, отримується потрібна просторова інформація. Використання даних космічних знімків дає змогу розвинути інформаційне забезпечення планування зрошення - проводити оцінку стану сільськогосподарських культур, площ зрошення та вологозабезпеченості посівів. Це суттєво доповнює та розвиває існуючі методи планування зрошення і є актуальним напрямом наукового завдання.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках тематики Інституту гідротехніки і меліорації УААН за державними науково-технічними програмами: ”Розробити технології управління зрошенням”, завдання 02.05, 2001-2005 рр., № держреєстрації 0101U004623; ”Розробити програмно-інформаційний комплекс системи точного землеробства на меліорованих землях”, підпрограма 3, завдання 01 („Методи отримання та обробки космічних знімків для одержання карт факторів формування водопотреби та врожаю сільськогосподарських культур”), 2001-2005 рр., № держреєстрації 0101U004621.
Метою дослідження є теоретичне та експериментальне обґрунтування методу використання просторово розподілених даних дистанційного зондування Землі з космосу в інформаційному забезпеченні планування зрошення.
Основні завдання досліджень:
– дослідити необхідність та доцільність застосування просторово розподілених даних для удосконалення інформаційного забезпечення планування зрошення;
– обґрунтувати вимоги до системи наземних спостережень;
– встановити найбільш інформативні діапазони спектру електромагнітного випромінювання для одержання інформації про стан сільськогосподарських культур та використання зрошуваних земель;
– розробити метод використання просторово розподілених даних у інформаційному забезпеченні планування зрошення;
– визначити умови застосування запропонованого методу та розробити рекомендації виробництву.
Об’єктом досліджень є процеси росту, розвитку сільськогосподарських культур та використання зрошуваних земель, інформація про які забезпечується просторово розподіленими даними.
Предметом дослідження є методи отримання та використання просторово розподілених даних для інформаційного забезпечення планування зрошення.
Методи досліджень: пасивний – для отримання просторово розподілених даних при дистанційному зондуванні Землі з космосу; візуально-аналітичний – для наземних спостережень; загального аналізу компонентів та максимальної правдоподібності для статистичного аналізу цифрових зображень; спектрального розподілу – для прогнозування урожаю сільськогосподарських культур; теоретичний, що спирається на теорію енергетичного балансу земної поверхні.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку науково–методичних засад інформаційного забезпечення планування зрошення, а саме:
- розробці методики наземних спостережень для планування зрошення;
- удосконаленні формули визначення прогнозованого рівня урожаю сільськогосподарських культур за спектральним розподілом;
- уточненні методів визначення показників росту і розвитку рослин, використання зрошуваних земель за космічними знімками;
- розробці методу використання просторово розподілених даних у інформаційному забезпеченні планування зрошення.
Практичне значення одержаних результатів. Науково обґрунтовано процедуру використання даних космічних знімків у інформаційному забезпеченні планування зрошення. Запропоновано метод, що дає змогу за науково обґрунтованими етапами одержувати наступну інформацію:
- оцінку динаміки площ фактичного зрошення, якості управління водокористуванням при зрошенні сільськогосподарських територій для стратегічного та річного планування зрошення за параметрами вегетуючого рослинного покриву (індексом листкової поверхні, коефіцієнтом культур) та на основі моделювання енергетичного балансу поверхні (сумарного випаровування сільськогосподарських культур);
- оцінку вологозабезпеченості посівів, розміщення сільськогосподарських культур, прогнозований рівень урожаю для оперативного планування поливів і водорозподілу у межах господарств та зрошувальних систем за прямою оцінкою просторово розподілених даних (не моделюючи процеси).
Метод дає змогу відтворювати результати просторового аналізу у геоінформаційній системі у вигляді тематичних карт та накопичувати їх у базах даних, що підвищує рівень достовірності та забезпечує адекватність прийняття управлінських рішень.
Особистий внесок дисертанта. Всі наукові положення, винесенні на захист, отримано та обґрунтовано особисто автором, їй також належить запропонований метод використання просторово розподілених даних та прикладні результати роботи. У загальному обсязі експериментального матеріалу частка автора становить 80 %.
Апробація результатів дисертації. Матеріали досліджень, основні наукові положення та результати доповідали та обговорювали на міжнародних наукових конференціях: “Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та шляхи їх вирішення”, 18–20 вересня 2002 року, м. Херсон; “Нормування водокористування у зрошуваному землеробстві”, 15–17 вересня 2005 року, м. Херсон; “Наукові засади сталого розвитку водного господарства та меліорації земель в Україні”, 26–27 квітня 2005 року, м. Київ; “Географічні інформаційні системи в аграрних університетах (GISAU)”, 14–15 вересня 2006 року, м. Херсон; “Географічні інформаційні системи в аграрних університетах (GISAU)” 21–22 травня 2007 року, м. Херсон; „Геоінформаційні технології в управлінні територіальним розвитком”, 28 травня – 1 червня 2007 року, м. Ялта.
Публікації. Основні положення дисертаційних досліджень висвітлено у п’яти наукових фахових виданнях, із них чотири – одноосібно.
Об’єм і зміст дисертаційної роботи. Основний текст дисертаційної роботи викладено на 125 сторінках комп’ютерного друкованого тексту, вміщує 40 таблиць та 26 рисунків. Дисертація містить вступ, п’ять розділів, висновки та рекомендації виробництву. Список використаних джерел налічує 156 найменувань на 15 сторінках.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи та надано її загальну характеристику.
У першому розділі “Розвиток інформаційного забезпечення планування зрошення” виконано аналіз літературних джерел за темою дисертаційної роботи, вивчено проблему інформаційного забезпечення планування зрошення та методичні засади використання даних космічних знімків у водному і сільському господарстві, обґрунтовано напрями досліджень.
Проблемою інформаційного забезпечення при плануванні зрошення займалися декілька поколінь вчених-меліораторів, починаючи з розробки розрахункових методів планування проектних та експлуатаційних режимів зрошення сільськогосподарських культур А.М. Алпатьєвим та С.М. Алпатьєвим. Початок інтенсивного розвитку методів управління зрошенням за допомогою засобів автоматизації та інформатизації в Україні поклали роботи зі створення автоматизованої системи управління Каховською зрошувальною системою, яка розроблялась під керівництвом академіка П.І. Коваленка. Дослідження з розвитку методів та інформаційно-обчислювальних систем довгострокового та оперативного планування зрошення були розпочаті В.П. Остапчиком, продовжені і розвинуті за участю О.І.Жовтоног, П.І. Ковальчука, В.А. Костроміна, В.А. Писаренка, Л.А. Філіпенко, В.Г. Чарного та ін. Широке впровадження інформаційних технологій у зрошуване землеробство відображено у наукових працях С.А. Балюка, Е.С. Драчинської, К.С. Лисогорова, Є.К. Міхєєва, М.І. Ромащенка, А.М. Шевченка.
Ретроспективний аналіз результатів наукових досліджень з проблем розробки інформаційного забезпечення планування зрошення виявив, що їхнім недоліком є використання просторово зосередженої і нормативної інформації замість оперативної просторово розподіленої про фактичну ситуацію стану сільськогосподарських угідь. З цього приводу було проведено аналіз вітчизняного та міжнародного досвіду з використання методів дистанційного зондування Землі з космосу у сільському та водному господарстві. Дослідженням нового прогресивного напряму присвячені роботи О.А. Войнова, О.В. Сиротенка, В.М. Тимохіна, М. Боса (Bos М.), М. Йєнсена (Jensen М.), М. Мененті (Menenti М.), В. Бастіансена (Bastiaanssen W.), Г. Роерінка (G.Roerink) та ін.
За проведеним аналізом розвитку інформаційного забезпечення планування зрошення доведена необхідність проведення теоретичних та експериментальних досліджень з використання просторово розподілених даних ДЗЗ, обґрунтовано завдання досліджень.
У другому розділі “Умови та методи досліджень” наведено природні та господарські умови пілотних зрошуваних територій, обраних для проведення досліджень, обґрунтовано методи досліджень.
Дослідження проводили протягом 2001–2005 років на територіях Кам`янсько-Дніпровського району Запорізької області і Джанкойського району Автономної Республіки Крим. Обрані райони характеризуються недостатньою кількістю опадів та нерівномірністю розподілення їх по періодах року, високими температурами і низькою відносною вологістю повітря. За таких умов вирощування сільськогосподарських культур можливе лише при використанні зрошення. На території Кам`янсько-Дніпровського району Запорізької області розташовано п’ять зрошувальних систем: Північно-Рогачицька, Кам`янська, Іванівська, Благовіщенська, Лиманська. Загальна площа зрошення становить 27461 га. Основними джерелами водопостачання Джанкойського району АР Крим є вода Північно-Кримського каналу (92% загального водозабору) і підземні води (41 свердловина). Загальна площа зрошення становить 72200 га. На локальному рівні досліджували сільськогосподарські угіддя господарств “Степовий” Кам`янсько-Дніпровського району Запорізької області та “Джанкой” Джанкойського району АР Крим. Умови цих господарств є типовими для обраних пілотних районів і зрошуваних територій.
Методика досліджень ґрунтувалась на пасивному методі ДЗЗ, статистично-математичному аналізі результатів досліджень, застосуванні теорії енергетичного балансу земної поверхні для визначення сумарного випаровування сільськогосподарських культур і містила наступні етапи: пряму оцінку стану сільськогосподарських угідь за космічними знімками; просторовий аналіз сільськогосподарських угідь за параметрами вегетуючого рослинного покриву (коефіцієнтом листкової поверхні і коефіцієнтом культур); моделювання процесу сумарного випаровування (рис. 1).
Для проведення досліджень використовувались космічні знімки, одержані при виконанні українсько-голландського проекту WARTERMUK та від “Центру розвитку інформаційних технологій”, Росія. Знімки супутників IRS-1С/1D, Landsat (радіометр ЕTM+), Terra (EOS AM-1), Aqua (EOS PM-1) були проаналізовані щодо достатності інформації для вирішення задач планування зрошення у найбільш інформативних діапазонах спектра електромагнітного випромінювання.
При обробленні знімків та проведенні розрахунків показників стану посівів та вологозабезпеченості були використані відомі методики, що широко використовуються в Україні та за кордоном:
- метод Тюкера (Tucker) визначення нормалізованого диференційного вегетаційного індексу (NDVI) для оцінки біомаси;
Рис. 1. Схема проведення досліджень
- метод визначення прогнозованого урожаю культур за спектральним розподілом NDVI у межах поля, що був удосконалений при проведенні досліджень;
- методи та рекомендації системи “Моніторинг сільськогосподарських територій за дистанційним зондуванням Землі” (MARS) для визначення індекса листкової поверхні (оцінка зеленої рослинності);
- методики ФАО та метод Дурсо (Dщrso) для визначення коефіцієнта культур, що відрізняє певну сільськогосподарську культуру від загального вегетуючого рослинного покриву;
- алгоритм енергетичного балансу земної поверхні (SEBAL) для розрахунків актуальної і потенціальної евапотранспірації, удосконалений і реалізований нами у стандартній програмі ERDAS IMAGINE.
При проведенні експериментальних досліджень необхідно було виконати наземні спостереження для отримання допоміжної інформації та інформації, що підтверджує дані космічних знімків. При аналізі літературних джерел стандартної методики наземних спостережень для використання просторово розподілених даних при плануванні зрошення виявлено не було. Це пов’язано з тим фактом, що дані від гідрогеолого-меліоративних експедицій, управлінь водного господарства та фермерських господарств можна збирати у будь-який запланований час. Але добові метеодані, фази розвитку культур на момент зйомки і багато інших опорних даних мають бути зібраними згідно з датами відвідування певного супутника даного району місцевості. Тому нами запропоновано і використано власну методику наземних спостережень, що полягає у визначенні дат проведення польових досліджень, достатності розмірів полів обраних культур для визначення альбедо вегетуючого рослинного покриву, зборі інформації про строки посівів і фази розвитку культур, зборі та аналізу добових метеоданих, вивченні зв’язку сумарного випаровування з радіаційним балансом. Необхідною умовою при наземних спостереженнях є визначення площ полів під сільськогосподарськими культурами. При ідентифікації культур нами визначено площу поля, що забезпечує необхідну відображальну здатність (альбедо) при якій точність прогнозування врожаю та визначення евапотранспірації є достатньою. Результати досліджень обробляли з використанням спеціалізованих пакетів програм на ПЕОМ.
У третьому розділі “Дослідження з використання просторово розподілених даних для планування зрошення” викладено результати досліджень з можливості використання даних космічних знімків при плануванні зрошення.
Дослідження з застосування методу прямої оцінки стану зрошуваних земель виконували за ретроспективними даними 2000 р., 2001 р. та оперативними –2002 р. на територіях зрошення Кам`янсько-Дніпровського району Запорізької області. Оперативні дані космічних знімків отримано від супутників Landsat (ETM+) 9 серпня 2002 року та від IRS-1C/1D 6 серпня 2002 року. За знімками було проведено гібридну класифікацію поверхні, ідентифіковано сільськогосподарські культури, розраховано нормалізований диференційний вегетаційний індекс, уточнено границі посівних площ та територій зрошення. Для розрахунків прогнозованого рівня урожаю удосконалено відому формулу визначення прогнозованого урожаю за спектральним розподілом у межах поля А.К.Чернишова - Є.А.Чернишової (при цьому використано дані Інституту землеробства південного регіону про науково-обґрунтовані максимально можливі рівні урожаю основних сільськогосподарських культур для району досліджень):
У прогн. = У (ПЗП х СППNDVI, і х ЧКПі), (1)
де ПЗП – продуктивність зрошуваного поля, ц/га;
СППNDVI, і – продуктивність і-го контура поля за картою NDVI, ц/га;
ЧКПі – частка і -го контуру у загальній площі поля.
За результатами розрахунків NDVI (рис. 2) отримано карту прогнозованого рівня урожаю у геоінформаційній системі (рис. 3).
Щоб виконати розрахунки у геоінформаційній системі (ArcGIS), формулу (1) представлено нами у вигляді:
У прогн. = [posivni_ploshi.ProdMax]/[NDVIStatMax]*[NDVIStatMEAN]. (2)
Для проведення просторової оцінки стану функціонування природних агромеліоративних систем нами в геоінформаційній системі ArcMap було виконано поєднання результатів дистанційного зондування Землі, картографічних даних та наземних спостережень. Для цього було виконано процедуру цифрування і отримано тематичні карти окремих показників:
- растрову тематичну карту ідентифікованих основних культур;
- растрову карту NDVI;
- векторну карту рівня ґрунтових вод;
- векторну карту ґрунтів району;
Рис. 2. Графік спектрального розподілу NDVI у господарстві “Степовий”,
6 серпня 2002 р.
Рис. 3. Карта прогнозованого урожаю основних культур у господарстві “Степовий” у 2002 р.
- векторну карту зрошувальних мереж району;
- результуючу карту стану функціонування природних агромеліоративних систем пілотної території (рис. 4).
За результатами просторової оцінки нами продемонстровано можливості застосування просторово розподіленої інформації при плануванні зрошення. Так, порівняння карт посівних площ, одержаних за допомогою оброблення космічних знімків, з статистичними даними господарств дає змогу коригувати результати розрахунків потрібних обсягів води для зрошення, більш об’єктивно оцінювати прогнозний рівень урожаїв та обсяги збитків внаслідок посухи чи недостатнього поливу сільськогосподарських культур. Зіставлення ґрунтових карт і карт рівнів ґрунтових вод з картами розміщення сільськогосподарських культур, одержаними на основі оброблення комічних знімків, дає змогу коригувати посівні площі при веденні зрошення земель згідно з вимогами культур до ґрунтових та еколого-меліоративних умов їх вирощування.
Рис. 4. Результуюча карта просторової оцінки стану функціонування природних агромеліоративних систем Кам`янсько-Дніпровського району
Запорізької області за 2002 р.
Уточнення інформації про розташування зрошувальних мереж дає змогу об’єктивно оцінювати та планувати технологічні процеси розподілу зрошувальної води між водокористувачами у межах зрошувальних систем для досягнення найбільшої продуктивності зрошуваних земель та підвищення ефективності водокористування залежно від наближеності або віддаленості площ зрошення від точки водовиділу у зрошувальну систему. Для вирішення проблем використання зрошення у межах господарств визначено зрошувані території, які мають проблеми з підтопленням і потребують проведення певних заходів щодо регулювання рівнів ґрунтових вод або припинення використання зрошення. Для вирішення стратегічних задач відновлення зрошення земель на рівні району запропоновано використовувати наступні просторово розподілені характеристики ведення зрошення: інформацію про поливи (фактичні зрошувані площі), карти прогнозованого урожаю основних культур, розподіл зрошувальної води між водокористувачами (карти меж господарств та зрошувальних мереж).
Дослідження стану сільськогосподарських культур за параметрами вегетуючого рослинного покриву виконували у період 2000-2004 рр. у Запорізькій області та АР Крим. На основі проведених нами розрахунків за міжнародною програмою MARS та результатами проекту WATERMUK, в якому автор брала участь, та використанню космічні знімки Landsat (ETM+) і Terra (EOS AM-1), Aqua (EOS PM-1), було визначено індекси листкової поверхні, коефіцієнти культур (Kc) та коефіцієнта водного стресу (Ks). Результати розрахунків представлено у графічному вигляді та у вигляді тематичних карт (рис. 5, 6, 7).
Рис. 5. Коефіцієнт листкової поверхні (LAI) кукурудзи на зерно:
а- без зрошення; б- зі зрошенням на території АР Крим у 2000–2004 рр.
Рис. 6. Коефіцієнт листкової поверхні (LAI) кукурудзи на зерно:
а- без зрошення; б- зі зрошенням на території Запорізької області у 2000–2004 рр.
Рис. 7. Результуюча карта Kc Ks
Дослідження з моделювання природних процесів було проведено у період 2000–2003 рр. для визначення можливості реалізації теорії енергетичного балансу поверхні за даними пасивного методу дистанційного зондування Землі з космосу. З цього приводу виконано адаптацію алгоритму спрощеного розрахунку енергетичного балансу поверхні для визначення сумарного випаровування (евапотранспірації) сільськогосподарських культур. Результати представлені у вигляді електронних карт в геоінформаційній системі (рис. 8).
Рис.8. Карти актуальної евапотранспірації угідь господарства “Джанкой” Джанкойського району АР Крим за даними супутника Landsat (ETM+), 2001 р.
Після кожного етапу досліджень для всіх показників стану функціонування природних агромеліоративних систем, визначених за допомогою космічних знімків, було встановлено найбільш інформативні діапазони спектра електромагнітного випромінювання (табл. 1).
Таблиця 1
Найбільш інформативні діапазони спектра електромагнітного випромінювання для показників оцінки стану функціонування природно- агромеліоративних систем
Види оцінки
Показники Діапазони спектра, мм
Пряма оцінка стану земної поверхні |
Тип земної поверхні та с.-г. культур
Території фактичного зрошення
NDVI
Біомаса |
0,45–0,67
0,60–0,75
0,66–0,90
0,70–1,50 |
Оцінка стану вегетуючого рослинного покриву |
Індекс листкової поверхні
Коефіцієнт культур
Коефіцієнт водного стресу |
0,65–0,75
1,05–1,25
8,00–15,00 |
Оцінка евапотранспірації |
NDVI
Температура поверхні
Альбедо |
0,66–0,90
10,42–11,60
10,40–12,50 |
Одержані результати та прикладні аспекти їх застосування спрямовано на розвиток інформаційного забезпечення планування зрошення.
У четвертому розділі “Метод використання просторово розподілених даних в інформаційному забезпеченні планування зрошення” сформульовано метод використання просторово розподілених даних для оперативного, довгострокового та стратегічного планування зрошення на різних просторових та часових рівнях.
Метод дозволяє проводити оцінку стану сільськогосподарських культур та зрошуваних територій за певними визначеними етапами. На різних просторово-часових рівнях планування зрошення виконуються оціноки за даними космічних знімків (табл. 2). Надано умови застосування розробленого методу на регіональному рівні для стратегічного планування зрошення, при річному та оперативному плануванні водокористування на рівні зрошувальних систем і господарств.
У п’ятому розділі “Практичне використання методу для обстеження сільськогосподарських територій” наведено план ведення обстежень (табл. 3) та приклади розрахунків вартості впровадження методу використання просторово розподілених даних.
Таблиця 2
Реалізація розробленого методу на просторово-часових рівнях
Часові
рівні | Просторові рівні
локальний | регіональний
поле | госпо-дарство | декілька господарств (міжгосподар-ська система) | адмінрайон (зрошувальна система) | адмінобласть
(зрошувальна система)
Стратегічне планування |
Пряма оцінка | Пряма оцінка
За параметра-ми вегетуючо-го рослинного покриву | За параметрами вегетуючого рослинного
покриву
Річне планування | Пряма оцінка | Пряма оцінка | Пряма оцінка
Пряма оцінка | пряма оцінка |
Оперативне планування | Пряма оцінка,
моде-люван-ня | Пряма оцінка,
моде-люван-ня | Пряма оцінка,
за параметрами вегетуючого рослинного покриву,
моделювання | Пряма оцінка,
за параметра-ми егетуючого рослинного покриву,
моделювання | Пряма оцінка,
за параметрами вегетуючого рослинного покриву,
моделювання |
Таблиця 3
План ведення обстежень сільськогосподарських територій
Період | Оцінка | Жовтень-березень:
Визначення стартових вологозапасів | Снігонакопичення | Готовності угідь до вегетаційного сезону | Квітень-травень:
Визначення стану полів та культур у вегетаційний період | Фактичних площ зрошення та складу культур | Стану культур | Ступеню зволоження грунту | Температури поверхні | Червень-липень:
Коригування графіків поливів | Площ під зернові та інші культури (ідентифікація) | Стану поля, необхідності оперативних поливів | Оперативна оцінка стану рослинності | Якості водокористування | Прогнозованого рівня урожаю | Серпень-вересень:
Обстеження полів під час збору урожаю | Виконання робіт під час збору урожаю | Підготовки угідь до наступного сезону |
Надано вартість придбання та обробки космічних знімків, що можуть використовуватись при вирішенні задач планування зрошення, та вартість використання цієї інформації для пілотної територій АР Крим. За аналітичним методом визначено вартість проведення обстеження стану сільськогосподарських угідь адміністративних районів та потенційних користувачів супутникової інформації.
ВИСНОВКИ
У результаті теоретичних та експериментальних досліджень з розвитку інформаційного забезпечення планування зрошення на основі використання просторово розподілених даних сформульовано наступні висновки:
1. Застосування просторово розподілених даних про стан посівів, розвиток сільськогосподарських культур та використання зрошуваних земель, отриманих обробленням космічних знімків пасивного методу дистанційного зондування Землі, є необхідним та доцільним для розвитку інформаційного забезпечення планування зрошення земель.
2. Точність розрахунків при використанні просторово розподілених даних залежить від відображальної здатності культури та розміру площі під ними. Розроблена методика наземних спостережень регламентує розмір площ під сільськогосподарськими культурами, що забезпечує потрібну точність прогнозування урожаю та визначення евапотранспірації за даними дистанційного зондування Землі з космосу. Встановлено, що при проведенні спостережень на площах 300-400 га під кукурудзою точність прогнозу урожаю з використанням космічних знімків становить 94 %, а при проведенні спостережень на площах 200-300 га точність визначення сумарного випаровування становить 92%. Таким чином, отримання за допомогою дистанційного зондування Землі з космосу якісної інформації для планування зрошення забезпечується веденням наземних спостережень на площах в середньому 300 га.
3. Показники, що необхідні для оцінки стану функціонування природних агро-меліоративних систем, визначаються у певних діапазонах спектра електромагнітного випромінювання: тип земної поверхні 0,45–0,67 µм, ідентифікація культур 0,60–0,75 µм, території фактичного зрошення 0,66–0,90 µм, біомаса 0,70–1,50 µм, індекс листкової поверхні 0,65–0,75 µм, коефіцієнт культур 0,65–0,75 µм, коефіцієнт водного стресу 8,00–15,00 µм, альбедо 10,40–12,50 µм, NDVI 0,66–0,90 µм, температура поверхні 10,42–11,60 µм.
4. Для визначення прогнозованого рівня урожаю за даними пасивного методу дистанційного зондування Землі застосовується метод розрахунку нормалізованого диференційного вегетаційного індексу та його спектрального розподілу у межах поля. Використовуючи науково обґрунтовані дані про потенційний (максимальний можливий) рівень урожаю на зрошенні і без зрошення для степової зони України, нами запропонована уточнена формула розрахунку прогнозованого рівня урожаю основних культур за спектральним розподілом.
5. На основі апробації алгоритму енергетичного балансу поверхні на пілотній території господарства „Джанкой” Джанкойського району АР Крим, доведена та реалізована (у стандартній програмі ERDAS IMAGINE) можливість використання космічних знімків для визначення та коригування значень сумарного випаровування з представленням результатів у вигляді електронних карт.
6. Запропоновано метод використання просторово розподілених даних у інформаційному забезпечені планування зрошення на різних просторово-часових рівнях, який базується на результатах теоретичних та експериментальних досліджень на пілотних територіях.
Сферою застосування розробленого методу використання просторово розподілених даних є: річне та оперативне планування зрошення на рівні зрошувальних систем і господарств, планування використання водних та земельних ресурсів на зрошуваних територіях та у межах річкових басейнів, стратегічне планування використання зрошення на рівні зрошувальних систем та окремих регіонів.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ
Для впровадження у практику водогосподарських організацій та сільськогосподарських підприємств методів планування зрошення з використанням пасивного методу дистанційного зондування Землі з космосу рекомендуються наступні заходи:
1. При стратегічному плануванні зрошення за параметрами вегетуючого рослинного покриву (індекса листкової поверхні, коефіцієнта культур) проведення оцінки стану сільськогосподарських культур для оптимізації структури посівних площ та площ використання зрошуваних земель.
2. При складанні річних планів водокористування на зрошувальних системах уточнення площ ведення зрошення та розташування сільськогосподарських культур для побудови карт комплексної оцінки (при поєднанні даних космічних знімків та наземних спостережень) стану грунтів, еколого-меліоративного стану земель та технічного стану зрошувальних систем.
3. При оперативному плануванні зрошення використання наступної інформації:
- карт нормалізованого диференційного вегетаційного індексу для оцінки біомаси;
- карт прогнозованого рівня урожаю, розрахованого за уточненою формулою спектрального розподілу;
- просторово розподілених значень сумарного випаровування на зрошуваних територіях, визначених за алгоритмом енергетичного балансу поверхні для коригування строків і норм поливу;
- оцінки площ фактичного зрошення для перевірки та коригування даних зворотного зв’язку з господарствами щодо проведених полівів.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ У ФАХОВИХ ВИДАННЯХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Жовтоног О.І., Власова О.В. Можливості застосування сучасних агрогідрологічних моделей для вирішення завдань управління зрошуваного землеробства//Актуальні проблеми ефективного використання земель. Збірник наук. праць Інституту землеробства Південного регіону,–2002, №3. –Херсон, –С. 95–97.
2. Власова О.В. Отримання просторово розподілених даних для планування зрошення.//Таврійський науковий вісник: Збірник наукових праць.–2005.–Вип.41.–Херсон: Айлант.–С. 137–143.
3. Власова О.В. Використання дистанційного зондування Землі для оцінки стану зрошуваних земель//Меліорація і водне господарство.–2005.Вип. 92.–С. 36–41.
4. Власова О.В. Моніторинг сільськогосподарських культур з використанням європейської системи MARS//Таврійський науковий вісник: Збірник наукових праць.–2006. Вип.45.–Херсон: Айлант.–С. 46–51.
5. Власова О.В. Інформаційне забезпечення планування зрошення за просторово розподіленими даними//Таврійський науковий вісник: Збірник наукових праць. –2007. Вип.51.–Херсон: Айлант.–С. 40–46.
АНОТАЦІЇ
Власова О.В. Інформаційне забезпечення планування зрошення за просторово розподіленими даними. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата сільськогосподарських наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (сільськогосподарські науки) - Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2007.
Проведено експериментальні та теоретичні дослідження з використання просторово розподілених даних, отриманих пасивним методом дистанційного зондування Землі з космосу для планування зрошення на пілотних територіях Кам’янсько-Дніпровського району Запорізької області та Джанкойського району АР Крим. Удосконалено та розвинуто науково-методичні засади інформаційного забезпечення планування зрошення шляхом: розробки методики наземних спостережень при плануванні зрошення; удосконалення формули визначення прогнозованого урожаю сільськогосподарських культур за спектральним розподілом; розробки просторового аналізу стану природних агромеліоративних систем за космічними знімками; встановлення необхідності, достатності та послідовності використання даних космічних знімків; розробки методу використання просторово розподілених даних у плануванні зрошення.
Запропонований метод може бути використано у складі інформаційно-обчислювальних систем оперативного, довгострокового та стратегічного планування зрошення.
Ключові слова: пасивний метод дистанційного зондування Землі, просторово розподілені дані (космічні знімки), геоінформаційна система, нормалізований диференційний вегетаційний індекс, індекс листкової поверхні, коефіцієнт культур, сумарне випаровування сільськогосподарських культур (евапотранспірація), енергетичний баланс поверхні.
Власова О.В. Информационное обеспечение планирования орошения по пространственно распределенным данным. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук по специальности 06.01.02 - сельскохозяйственные мелиорации (сельскохозяйственные науки). - Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2007.
Проведены экспериментальные и теоретические исследования для выявления возможности использования пространственно распределенных данных, полученных пассивным методом дистанционного зондирования Земли из космоса, для планирования орошения на пилотных территориях Камянско-Днепровского района Запорожской области и Джанкойского району АР Крым. Усовершенствованы и развиты научно-методические основы информационного обеспечения планирования орошения за счет:
- разработки методики наземных наблюдений при планировании орошения;
- усовершенствования формулы для определения прогнозированного урожая сельскохозяйственных культур по спектральному распределению;
- разработки пространственного анализа состояния природных агромелиоративных систем по данным космических снимков;
- установления необходимости, достаточности и последовательности использования данных космических снимков;
- разработки метода использования пространственно распределенных данных в информационном обеспечении планирования орошения.
Предложенный метод позволяет:
1. Проводить оценку фактического состояния посевов и использования орошаемых площадей для планирования агромелиоративных мероприятий и для оперативного планирования технологий выращивания сельскохозяйственных культур, используя предложенную прямую оценку данных космических снимков и представления результатов оценки в геоинформационной системе в виде тематических электронных карт.
2. Проводить оценку состояния сельскохозяйственных территорий (с орошением и без орошения), используя параметры вегетирующего растительного покрова поверхности (индекс листовой поверхности, коэффициент культур) для стратегического планирования орошения.
3. Проводить оценку фактического орошения, водоподачи на орошение и корректировать сроки поливов на основе моделирования суммарного испарения сельскохозяйственных культур (эвапотранспирации) при оперативном планировании.
Ключевые слова: пассивный метод дистанционного зондирования Земли, пространственно распределенные данные (космические снимки), геоинформационная система, нормализованный дифференциальный вегетативный индекс, индекс листовой поверхности, коэффициент культур, суммарное испарение сельскохозяйственных культур (эвапотранспирация), энергетический баланс поверхности.
Vlasova O.V. Informational maintenance for irrigation planning using spatial-distributed data. – Manuscript.
Thesis is submitted to obtain PhD degree in agricultural sciences for specialty 06.01.02 – agricultural reclamation. – Institute for Hydraulic Engineering and Land Reclamation UAAS, Kyiv, 2007.
The scientific-methodical background of the informational date ware for irrigation scheduling have been improved and developed by theoretical and experimental studies with using of remote sensing data, conducted on reclamation lands of the Kamiansko-Dneprovsky and Crimea areas. The basic principles of proposed methods are the following:
- to forecast crop yields by directly assessment of satellite imagines and improved formula, witch use Normalized Difference Vegetation Indices spectral distribution;
- to determine crop state and irrigation use by Leaf Area Indices and Crops Coefficient;
- to define the spatial distribution of evapotranspiration by adopted algorithm of surface energy balance for irrigationscheduling.
Key words: The passive method by remote sensing, spatial-distributed data (by satellite), geoinformational system (GIS), Normalized Difference Vegetation Indices (NDVI), Leaf Area Indices (LAI), Crops Coefficient (Kc), evapotranspiration, surface energy balance.
