Особенности проведения космического мониторинга за посевными площадями и сроками сева риса в Кызылординской области в 2018 году

Одним из основных направлений использования данных дистанционного зондирования является анализ определения посевных площадей сельскохозяйственных культур и использования земель сельскохозяйственного назначения. Технология дистанционного зондирования позволяет актуализировать более точно площади пахотных угодий по годам и создает объективную векторную основу для последующего мониторинга состояния и прогнозирования урожайности посевов сельскохозяйственных культур, в том числе посевов риса.
Рисоводство - одна из немногих отраслей сельского хозяйства Казахстана, которая полностью обеспечивает население страны отечественной продукцией и имеет ориентир на развитие экспортного потенциала страны. Рис является ценным высококачественным продуктом питания, он обеспечивает 70% дневной нормы калорий населения в Азии, по калорийности он не уступает пшенице. Белок риса по качеству приближается к белку животного происхождения.
Посевные площади риса в Казахстане составляют около 100 тыс. га. Он возделывается преимущественно в Кызылординской области – свыше 84-86 %, незначительные площади его высеваются в Алматинской (10-11 %) и крайне мало в Южно-Казахстанской областях. Исходя из наличия больших площадей производства посевов, именно Кызылординская область была выбрана для проведения исследований.
Дистанционное определение посевных площадей и сроков сева риса по районам и в целом по территории южных областей РК имеет исключительно важное сельскохозяйственное значение, на их основе выполняются все агротехнические расчеты по объемам проведения сельхозработ на полях. Проведение оперативного космического мониторинга за ростом и развитием риса, включает выполнение ряда последовательных этапов работ: спутниковую оценку сроков сева, состояния посевов, подготовку прогнозов урожайности и валового сбора риса, оценку сроков и площадей проведения уборочных работ на полях. Все они основаны на уточнении ежегодно маски сева сельхозкультуры и определении площадей сева риса в конкретном году.
В рамках настоящих исследований были разработаны методики спутниковой оценки площадей и сроков сева риса по территории южных областей Казахстана, основанных на использовании спутниковых данных среднего и высокого пространственного разрешения и данных наземной информации.
Для рисовых полей необходимо проводить исследования начиная с посевных работ, так как площадь рисовых посевов и дата посева очень важна для моделирования урожайности. Посевы ранних и оптимальных дат успевают дозреть и дают отличный урожай. Поздние посевы риса в связи с температурными особенностями региона иногда запаздывают в созревании и не успевают вовремя дозреть до уборки. Начало посевных работ приходится на середину мая. Следовательно, с этого времени следует начинать мониторинг сельскохозяйственной культуры.
Для реализации методик разработана структура базы данных. Определены входные космические данные: база спутниковых данных среднего пространственного разрешения (Landsat-8, Sentinel-2) за вегетационный период 2013-2018гг. на территорию Кызылординской области; картографическая база геоданных. Сформирована база исторических данных статистической информации: структура посевных площадей по районам Кызылординской области за период 2013-2018гг.; структура ярового сева сельскохозяйственных культур Кызылординской области за период 2013-2018гг.; площади ярового сева сельскохозяйственных культур по Кызылординской области за период 2013-2018гг.).
Изучены технология посевных работ, особенности агротехнических работ возделывания риса в основных рисосеющих районах южных областей Казахстана. Изучены агрометеорологические условия для роста и фенологического развития посевов риса. С учетом почвенно-климатических особенностей территории возделывания риса определены районы проведения подспутниковых наблюдений.
На основе базы спутниковых данных среднего и низкого пространственного разрешения LANDSAT, Sentinel-2 подготовлен набор индексов для определения сроков сева и площадей посевов риса с использованием методов дешифрирования водных поверхностей по многоканальным спектральным индексам: NDWI (нормированный индекс разности вод), TCT (Tasseled Cap Transformation), NDVI (вегетационный индекс), а также с применением метода визуального дешифрирования мультиспектральных изображений.
Методика определения сроков сева включает вычисление разницы между соответствующими индексами, рассчитанными для разных дат по снимкам Sentinеl-2. Расчет разницы между поздними и ранними датами позволяет уверенно обнаруживать изменения состояния почвы и состояния растительного покрова и делать выводы о сроках проведения посевных мероприятий. Для определения времени начала посевных работ в конкретном году одновременно проводится анализ агрометеорологических условий весеннего периода, в результате чего определяются сроки перехода средней температуры воздуха через 15 ⁰С, указывающие на то, что пришло время для начала посевных работ. В дальнейшем анализируются темпы накопления тепла и тенденции отклонений в сравнении с климатическими нормами, косвенно определяющими ход посевных работ и начального роста посевов.
Проведено наземное обследование сельскохозяйственных культур Кызылординской области с 3-9 августа 2018 года, для верификации результатов разработанных методик с наземными данными.
В ходе подспутниковых наблюдений на территории Кызылординской области найдена корреляционная зависимость спутниковой и наземной информации.
Проведена верификация разработанных методик сроков сева риса и посевных площадей риса на основе спутниковых и статистических, полевых данных.
На основе разработанной методики было проведено картирование результатов спутниковой оценки посевных площадей риса по Кызылординской области. Используя программный продукт ArcGis, рассчитаны площади риса по районам и в целом по области за 2018 год.
Посевная площадь рисовых полей Кызылординской области 2018 года, определенная на основе методов с использованием космических данных составляет 89123,43га. Площадь посевов риса по статистическим данным текущего года по Кызылординской области составила 87267га. Разница в площадях сева по данным ДЗЗ и статистической информации составила 1856,43 га. Погрешность распознавания площадей по ДЗЗ составляет составляет 2,1%. Таким образом, разработанная методика позволяет определять спутниковую маску риса с высокой достоверностью - 98%.
Одновременно верификация спутниковой маски посевных площадей риса проведена в 2018 года с результатами данных маршрутного обследования GPS- точек рисовых полей. Проведенный анализ показал совпадение полевых GPS-точек рисовых полей с космическими данными, совпадение наблюдается в 97% полей.
В хозяйствах Кызылординской области для получения наилучшей продуктивности посевов риса, снижения рисков от погодных условий в период вегетации и уборки урожая, снижения нагрузки на технику применяют следующие сроки сева: ранние сроки (с 25 апреля по 5 мая), в структуре от площади ярового сева обычно составляют 10-15%; оптимальные сроки (с 6 по 25 мая) составляют наибольшую долю засеваемой площади; 65-70%, поздние сроки (с 26 мая по 5 июня) – составляют 15-20%.
Результаты верификации сроков сева по Кызылординской области показали следующую погрешность определения данных ДЗЗ со статистической информацией в 2018 году: сроки сева на 11 мая имеют погрешность - 13%; на 18 мая - 3%; на 22 мая - 3%, на 25 мая - 2%, на 8 июня - 0,1%. Средняя погрешность за посевной период составляет – 4%.
Таким образом, разработанная методика позволяет с высокой степенью достоверности оценивать сроки сева риса по данным дистанционного зондирования.