Распознавание зерновых культур в Северном Казахстане по данным спутниковой и наземной информации

В настоящее время производство зерновых культур является главной отраслью земледелия в Северном Казахстане. За последние года в хозяйствах северных областей широко проводятся мероприятия по диверсификации отрасли растениеводства. В результате Государственной программы произошли заметные изменения в структуре посевных площадей зерновых культур, за счет уменьшения их площади и увеличения доли производства масличных, кормовых и др. сельхозкультур (подсолнечник, лен, сеяные травы, кормовые культуры, бобовые, кукуруза на силос и др.). Однако, лидирующее место в севооборотах по-прежнему все еще отводится посевам зерновых культур.
Решение разнообразных задач по космическому мониторингу зерновых культур требует в условиях каждого года корректировки маски сева яровых сельхозкультур, а в период вегетации выделение отдельных масок полей зерновых, паровых и других сельхозкультур. Зерновые культуры в Северном Казахстане располагаются крупными массивами полей, свыше 12 млн. га. Оценить в полном объеме такие большие площади возможно только космическими данными. Определение полей зерновых культур с помощью данных ДЗЗ и наземной информации сопряжено с особыми трудностями. Они связаны с высокой динамичностью сельскохозяйственной растительности в результате ежегодной смены на полях (севообороты), разнообразными почвенно-климатическими и погодными условиями территории, влияющими на состояние сельхозкультур и их спектральные индексы. Кроме того, в июле, в этом регионе зачастую наблюдается облачная погода, которая может приводить к некоторым искажениям спутниковой информации.
В качестве основного дистанционного источника информации по распознаванию полей сельхозкультур использованы материалы космической съемки спутников Landsat 8 и MODIS за период июнь-июль. Для построения маски полей зерновых культур в 2016 году были привлечены фактические данные с подспутниковых полигонов Акмолинской области (ТОО «Новокубанское» Шортандинский район, АО «Акмола-Феникс» Целинорадский район) и наземного обследования, проведенного в период 23 июля-5 августа. Всего было обследовано 100 полей с различными сельхозкультурами (яровая пшеница, ячмень, горох, лен, чечевица, рапс, подсолнечник, сеяные травы, кормосмеси, паровые поля), с определением их фенологического развития, состояния, цветовой тональности посева и GPS-координат. Особое внимание при обследовании было уделено основной культуре - яровой пшенице, поскольку в зависимости от сроков сева, парования, засорения, повреждения полей, а также складывающихся погодных условий у нее возможен большой разброс в формировании вегетативной массы, урожайности и соответственно в значениях вегетационных индексов. Оценка тепло-влажностных ресурсов 2016 года была проведена по накопленным суммам активных температур, количеству осадков и рассчитанному гидротермическому коэффициенту Селянинова (ГТК) за период с мая по июль. Анализ гидротермических условий позволил установить, что 2016 год характеризуется небольшим недобором тепла и необычно обильными осадками. Влажные погодные условия способствовали хорошему накоплению биомассы и продуктивности, но небольшому отставанию в развитии посевов зерновых культур.
В результате экспертного анализа различных комбинаций каналов Landsat 8 и наземных данных обследованных полей предложено наиболее оптимальное решение для распознавания группы полей зерновых и не зерновых культур. Оно основано на использовании комбинации каналов (6,5,4), а также комбинации каналов в естественных цветах (4,3,2), при которых наиболее выражены различия в цветовых и текстурных характеристиках полей у разных сельхозкультур. При этом наибольшая точность дешифрирования полей по данным Landsat 8 выявлена на снимках в период со второй половины июля по начало августа. В это время у большинства сельхозкультур проявляются наибольшие различия в развитии биомассы и проективном покрытии, а также формируются цветовые различия, связанные с наступление фазы цветения посевов. В качестве дополнительного источника информации по распознаванию полей нами была сформирована база данных восьмидневных композитов MODIS, MOD09Q1, за период май-август. По ней были рассчитаны вегетационные индексы (NDVI) и построены соответствующие вегетационные кривые. В настоящей работе приводятся полученные закономерности динамики NDVI во влажных условиях для основных возделываемых сельхозкультур. В качестве примера, приводятся картографические результаты спутникового распознавания сельхозкультур по землепользованиям исследуемых хозяйств Акмолинской области в 2016 году.
Таким образом, совместный анализ данных спутниковой и наземной информации позволяет во влажных условиях года уверенно проводить детальное дешифрирование полей различных сельхозкультур, а также выделять из общего севооборота маску полей зерновых культур. Наличие серии таких карт за разные годы позволяет проводить качественный анализ, эффективное планирование и контроль за проведением севооборотов в хозяйствах, оценивать площадь зерновых культур, используемую при прогнозировании урожайности и валового сбора зерновых культур. Однако, при установлении в Северном Казахстане засушливых погодных условий потребуется проведение дополнительных исследований по распознаванию возделываемых сельхозкультур.