Дитц Л.Ю., Смоленцев Б.А., Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск

Сложившиеся в последнее время негативные экономические трудности в сельском хозяйстве в условиях высоких антропогенных нагрузок привели к развитию процессов деградации почвенного покрова. В связи с существенно обостряющимся экологическим кризисом важнейшее значение приобретает разработка методологических подходов использования геоинформационных технологий в целях оптимизации землепользования и реабилитации деградированных территорий, картографической регистрации и прогноза изменений.

Решение задач рационального использования земельных ресурсов требует объективного подхода к составлению качественных почвенных карт, процесс создания которых требует много времени и средств. Ускорить эти работы и сделать их более эффективными можно при помощи современных технических средств - использование материалов аэрофотосъемки и ГИС-технологий. Современный этап развития многих научных направлений характеризуется процессом систематизации, классификации, теоретических обобщений, стремлением к синтезу накопленных знаний, традиционные методы и подходы уже не в состоянии справиться с этими задачами. Появилась необходимость создания единой методологической основы, позволяющей органически объединить различные научные подходы в общую концепцию. Сущность ГИС - это способность связывать с картографическими объектами информацию в семантическом виде (текстовую, табличную, графическую), причем основополагающей является пространственная связь между ними.

Система землепользования любой территории в cвоем развитие должна соответствовать ресурсному потенциалу земель, под которым понимается устойчивость ландшафтов без дополнительных вложений, а вероятность возникновения нежелательных экологических последствий стремится к нулю (Савин, Федорова, 2000). В качестве основы анализа ресурсного потенциала территории выступает географическая информационная система района исследований, содержащая строго структурированные сведения о фактическом состоянии земель, алгоритмы анализа пригодности земель под основные типы землепользования, а также технология оптимизации размещения сельскохозяйственных угодий и посевов отдельных культур. Основное внимание акцентировано на возможности построения моделей землепользования. Это придает системе моделирования значительную гибкость и позволяет пользователю отбирать для анализа именно тот набор культур и типов землепользования, который наиболее потенциально экономически выгоден в быстро меняющихся социально-экономических условиях.

С этой целью на территории АО Ивановское Баганского района Новосибирской области, расположенного в засушливых районах Северной Кулунды, была составлена серия электронных карт территории землепользования (почвенные, топографические, агроландшафтные, рельефа, дефлированных земель, потенциальной урожайности, размещения севооборотов и т.п.). Созданные электронные карты, состоящие из нескольких слоев, включают все основные категории землепользования (пахотные угодья, пастбища и сенокосы, леса, болота и водные участки, неудобицы и населенные пункты) в соответствии с их пространственным расположением и по мере необходимости географическими координатами.
В настоящее время большинство сельскохозяйственных предприятий акционировано. В результате чего они получили больше хозяйственной самостоятельности, возросли возможности для их адаптации к быстро меняющимся социально-экономическим условиям и запросам рынка. Созданная ранее система планирования землепользования не в состоянии в изменившихся условиях удовлетворять потребности землепользователей в оперативной и достоверной информации, а также делать прогноз по использованию земель с большей экономической эффективностью и с меньшим экологическим риском. Окончательное решение при разработке схемы оптимального размещения угодий и посевов культур принимается на основе детального моделирования экономической эффективности производства, но в основе данного моделирования должна лежать точная информация о фактическом состоянии почвенного покрова отдельных хозяйств, его ресурсного потенциала (Савин, Федорова, 2000).
ГИС, содержащая строго структурированные сведения о фактическом состоянии земель, алгоритмы анализа пригодности земель под основные типы землепользования, выступает в качестве основы для моделирования рабочих участков на основе потенциальной урожайности и рентабельности размещения севооборотов зерновых культур.

Использование геоинформационных технологий в инвентаризации земельных угодий, землеустройстве и кадастровых работах предусматривает решение следующих задач:

- оценка пригодности земель под возделывание сельскохозяйственных культур;
- мониторинг плодородия почв, отдельных свойств почв;
- научное обоснование севооборотов; оптимизация структуры землепользования, нарезка полей, участков;
- агроландшафтное районирование земель;
- региональные ограничения на использование земель;
- экономические показатели при размещения севооборотов в разных агроландшафтных группах земель.

Для решения задач землепользования весьма актуальна проблема сбора, обработки и хранения информации, Технология анализа, переработки и хранения компьютерной информации в ГИС требует определенной формы систематизации описаний в виде специфической базы данных, под которой подразумевается составление электронных карт, создание и ведение атрибутивной информации, содержащей сведения о площади, типе использования земель, основных химических и физико-химических параметрах почв, потенциальной урожайности каждого почвенного выдела и т.п. . Она может быть представлена в текстовой и табличной форме, что позволяет оперативно отслеживать все происходящие на территории землепользования изменения. База данных является основой для дальнейшего анализа и создания новой преобразованной информации.
Работы по созданию электронного банка данных, а также возможностей моделирования землеустроительных работ по выбору наиболее рентабельных подходов использования рабочих участков под зерновые культуры, были проведены и апробированы на примере акционерного общества «Ивановское» Баганского района НСО.

Процесс компьютерной версии создания картографических материалов складывается из нескольких этапов: подготовительный, создания цифровых карты, наполнение базы данных атрибутивной информацией, моделирование ресурсосберегающих технологий, принятие решений.
Подготовительный этап включает в себя следующие виды работ:

- сбор информации (тематических и картографических материалов);
- проектирование структуры банка данных;
- создание классификаторов тематической информации;
- сканирование картографических планшетов и преобразование растрового изображения в форматы jpg, bmp, tiff.;
- формирование базы данных.
В подготовительный период входит сбор картографической информации на территорию обследования и анализ собранных материалов. Для проведения полевого почвенного обследования на территория обследования необходимы следующие материалы:
- топографические карты масштаба обследования с горизонталями в рамках трапеций и границами землепользований;
- карты земельных угодий в границах землепользований;
- характер использования земельных угодий;
- материалы аэрофотосъемки, полутоновые карты, фотопланы в рамках трапеций;
- фондовые материалы, позволяющие уточнять или дополнять информацию о почвенном покрове или факторах почвообразования.

Картографической основой для создания серии тематических карт была использована топографическая карта и аэрофотоснимки масштаба 1:10000, на которую было предварительно перенесены результаты полевой почвенной карты. Сканирование исходной бумажной основы было проведено с помощью планшетного сканера непосредственно для каждого листа (планшета) карты. Преобразование растрового изображения в графические форматы jpg (или bmp, tiff) проведено в программе Photoshop.
В основе компьютерной инвентаризации почв должна лежать база данных (БД) определенной структуры и состава. Во-первых, БД должна содержать информацию о пространственном варьировании факторов почвообразования. Состав данной части БД определяется не только уровнем обобщения, но и спецификой природных условий региона исследований. В этот блок входят также и материалы дистанционных исследований. Во-вторых, БД должна содержать данные о свойствах почв конкретных разрезов с точной привязкой на местности. Набор свойств почв должен обеспечивать полный анализ почвенных ресурсов.

При создании классификатора составляется полный перечень всех объектов по слоям. Создание и проектирование структуры классификатора заключается в том, на основе анализа к содержанию электронных слоев необходимо установить перечень объектов, подлежащих цифрованию. Для этого необходимо разбить все множество объектов на логически связанные по смысловому значению группы, называемые слоями (слой гидрографии, слой растительности, слой сельхозугодий и т. д.).
Создание цифровых карт - основной этап включает в себя следующие виды работ:

- привязка растрового изображения (растровая подложка),
- сшивка планшетов растра;
- векторизация (создание векторной модели),
- разнесение результатов оцифровки по электронным слоям,
- создание полей и занесение атрибутивной информации в каждом электронном слое.

Привязка растрового изображения выполняется по точкам с известными географическими координатами или как карта-схема в условной системе координат. На данном этапе выполняется привязка всех растровых планшетов. Однако каждый планшет хранится в своей таблице. Для удобства ориентации по планшетам была составлена сетка с указанием границ планшетов и их номенклатура.

Процесс компьютерного картографирования почвенного покрова начинается с создания электронной почвенной карты, которая предполагает предварительную оцифровку топографических карт того же масштаба. Обычно на первых этапах создается сеть геометрических объектов (точек, линий, выделов), к которым впоследствии привязывается затем вся атрибутивная табличная и графическая информация, как главная и неотъемлемая часть почвенной ГИС.

Получение электронной цифровой картоосновы территории землепользования считается законченным тогда, когда все элементы карты согласно тематическим электронным слоям будут оцифрованы, т.е. проведено семантическое описание объектов и сбор геометрии объектов. Электронные слои объединяют объекты по единообразности смыслового содержания информации. Mapinfo позволяет создавать неограниченное число слоев. Отображение точечных и линейных объектов требуют создание отдельных электронных слоев.

Заполненные базы данных картографической и семантической информации являются необходимым и достаточным условием построения карт. Основу электронной цифровой почвенной карты составляет база данных (БД) определенной структуры и состава. БД содержит информацию о пространственном варьировании факторов почвообразования, а также данные о свойствах почв конкретных разрезов с точной привязкой на местности. Набор свойств почв должен обеспечивать полный анализ почвенных ресурсов.

После оцифровки и описания объектов выполняется формирование атрибутики объектов. Для каждого слоя создается своя база данных, куда заносится атрибутивная информация об объекте. Данные вводятся отдельно на каждый объект.

В каждом электронном слое при описании объектов создаются поля атрибутов объекта с указанием типа локализации (площадной, линейный, полосной, ломаный полосной).
Перечень электронных слоев:

1. На основе топографической карты создаются следующие слои:
- гидрография,
- болота, солончаки,
- лес,
- дороги,
- населенные пункты,
- рельеф с горизонталями,
- ЛЭП и другие линейные сооружения.
2. На основе плана землепользования создаются следующие слои:
- пашни,
- кормовые угодья (сенокосы, пастбища),
- лесополосы,
- прочие земли.
3. На основе полевой почвенной карты создаются следующие слои:
- почвенные контура,
- почвенные разрезы,
- надписи, индексы.
4. На основе почвенно-ландшафтной карты создаются слои:
- контура агроэкологических групп земель,
- севооборотов,
- потенциальной урожайности.

На основе скорректированных топографических и почвенных карт создается серия электронных тематических карт с информацией по сельскохозяйственной тематики. Их основное отличие от исходного материала заключается в появлении большого круга возможностей для обособления почвенно-ландшафтных выделов. Например, на базе факторной карты рельефа могут быть получены в автоматическом режиме карты крутизны и экспозиционности склонов, степени расчленения рельефа и т.д. Почвенные разрезы, имеющие географические координаты и характеризующие все неоднородности почвенного покрова, должны быть охарактеризованы полным набором химических, физических, физико-химических, морфологических и иных почвенных характеристик.
Большие технические возможности компьютерных технологий при визуализации почвенной и другой тематической информации открывает широкие возможности манипулировать с отдельными слоями почвенных данных в сочетании с иной пространственной информацией для получения любого количества производных интерпретационных и прикладных карт.
Экологически безопасной и экономически эффективной система землепользования должна стремиться к соответствию реальному ресурсному потенциалу земель, который при этом должен наиболее полно использоваться (эксплуатироваться).

При моделировании рациональных систем земледелия ГИС должна содержать пространственную и атрибутивную информацию о земельных ресурсах хозяйства, необходимую и достаточную для анализа ресурсного потенциала земель. Поэтому наиболее значимой информацией являются:

- параметры выделения агроландшафтных групп земель;
- оценка пригодности почв под сельскохозяйственное использование земель;
- сценарии оптимального размещения угодий с учетом характеристик почвенных показателей;
- анализ потенциальной урожайности с/х культур.

При выделении агроландшафтных групп земель необходима информация о рельефе. Информации о рельефе предопределяется масштабом исследований. При осуществлении анализа земель на уровне территории землепользования оцифровываются горизонтали топографической карты, которые затем в ГИС преобразуются цифровую модель рельефа. В дальнейшем цифровая модель рельефа используется для построений производных компьютерных карт характеристик рельефа (уклонов, экспозиции и формы склонов, степени расчлененности рельефа и т.д.). В качестве атрибутов к данным картам привязывается соответствующая информация об отдельных характеристиках рельефа.

Основной частью блока данных о почвах и почвенном покрове является сеть выделов почвенной карты, к которым привязывается атрибутивная информация о свойствах и специфике почвенного покрова. По возможности, выделы оцифрованной почвенной карты корректируются в ГИС с использованием введенной в БД информации о рельефе и на основе компьютерного дешифрирования дистанционных материале некоторых случаях, при анализе земельных ресурсов отдельных угодий, данные о свойствах почв не привязываются к делам почвенной карты, а экстраполируются средствами по материалам данных полевых обследований почв. Набор почвенных атрибутов, необходимых для анализа, варьирует от уровня обобщения проводимых исследований.

Крупномасштабные почвенно-экологические или почвенно-ландшафтные карты дают возможность наиболее полно и объективно отражать почвенные ресурсы сельскохозяйственных районов.

Длительное и часто нерациональное антропогенное воздействие на природные ландшафты (экосистемы) привело к рушению их естественного цикла, развитию деградации. Возникла проблема поиска способов повышения экологической устойчивости вновь образованных природно-антропогенных ландшафтов - агроэкосистем. Стало очевидным, что необходимо более эффективные приемы компенсации вещественных потерь и других негативных изменений, происходящих в агроэкосистеме. С помощью зональных систем земледелия, применявшихся в последние 30 лет, решить эту проблему не удалось. Современная земледельческая наука усовершенствовала известные в прошлом адаптивные подходы, предложив для практического применения адаптивно-ландшафтные системы земледелия (Кирюшин, 1996).

Наиболее полное представление о функциональном использовании земель дает их крупномасштабное изучение и картографирование на основе применения крупномасштабных планов землепользования, почвенных карт, книг истории полей, годовых отчетов сельскохозяйственных предприятий, агрономических отчетов, а также по сведениям непосредственно полученным от специалистов данного хозяйства. Картографической основой при размещении сх культур служат крупномасштабные и ландшафтные карты. При составлении обоснованных проектов организации территории необходимы материалы почвенно-ландшафтного обследования.
Объединение почвенных контуров в агроэкологическую группу земель было проведено на основании их положения в ландшафте в пределах каждого водосборного бассейна. Агроэкологические условия каждой группы земель находятся в прямой зависимости от относительной высоты над местным базисом эрозии (болото, озеро, речка), гранулометрического состава почвообразующих пород, что, в свою очередь, обеспечивает определенный уровень грунтовых вод, степень дренированности, водный режим, степень солонцеватости и засоления.

Территория Баганского района НСО относится к регионам уязвимым к антропогенному воздействию. По природно-климатическим условиям территория Северной Кулунды относится к зоне рискованного земледелия с большим количеством экстермальных факторов (засуха, засоление, дефляция и т.д). Малое количество осадков в сочетании с высокими температурами определяет сухость воздуха и почвы, малая залесенность и равнинность рельефа способствуют развитию процессов дефляции. Часто повторяющиеся засухи наносят серьезный материальный ущерб. Неустойчивость сельского хозяйства усилилась к тому же за последние годы в связи с обострением социально-экономических факторов. Все недостатки хозяйствования отражаются на состояние земельных ресурсов и, в первую очередь, - пашни.

Почвы Северной Кулунды (в основном обыкновенные и южные черноземы) в подавляющем большинстве малогумусные с укороченным гумусовым профилем. Нарушение баланса гумуса обусловлено не столько несоответствием его расходывания и пополнения за счет органических удобрений, сколько эрозионными процессами.

Сформировавшиеся под влиянием антропогенного фактора агроландшафты характеризуются количественными и качественными особенностями, которые выступают как экологические характеристики современных агросистем, что отличает их от естественных.

Важнейший резерв повышения эффективности использования ресурсного потенциала территории агроландшафтное земледелие. Эта система определяет реальные пути стабилизации почвенных ресурсов с учетом возможностей ведения с/х производства и рациональных севооборотов для той или иной агроландшафтной группы (Шаталова, Подпорина, 2001).
Система планирования землепользования, созданная еще в советские годы не в состоянии удовлетворять потребности землепользователей в оперативной и достоверной информации. Окончательное решение при разработке схемы оптимального размещения сельскохозяйственных культур принимается на основе детального моделирования экономической эффективности производства, в основу которого положена информация о фактическом состоянии земельных ресурсов территории землепользования (Савин,Федорова, 2000). Поэтому компьютерное моделирование на базе ГИС-технологий является основной рационального почвопользования.
Картографическое моделирование почвенно-экологических условий в условиях антропогенных изменений в сельскохозяйственном производстве применяется для решения следующих задач:

- изучение факторов, оказывающих существенное влияние на территориальную расчлененность агроландшафта;
- исследование структуры и функциональных зависимостей между компонентами агроландшафта (почвами, УГВ, степень засоления и т.п.);
- количественная оценка взаимосвязей между компонентами агроландшафтов;
- моделирование продуктивности с/х угодий, устойчивости почвенного покрова к антропогенным воздействиям;
- компьютерный анализ пригодности земель;
- научное обоснование и принятие решений.

Объектом картографического моделирования послужила карта потенциальной урожайности, созданная на основе почвенной, агроландшафтной и топографической карт, на которых в соответствии с классификацией выделены зональные типы, подтипы, роды почв, а также агроландшафтые группы.

Рациональная система землепользования должна проводиться на основе применения экономического и экологического критериев. В качестве экономических показателей в базу данных вводятся такие данные как затраты труда на обработку рабочих участков полей севооборотов, стоимость ГСМ (горюче-смазочных материалов), площадь участка, вид с/х техники и т.п. К экологическим критериям относятся состояние почвенного покрова, которое отображается в количественных характеристиках.

При организации землепользования в пределах данной зоны также необходим учет пригодности почв под конкретные виды использования, но при этом, должен учитываться и факт экологической важности почв для ландшафта в целом.

Землепользование на данной территории должно быть организованно таким
образом, чтобы придать почвам способность к восстановлению их экологических функций. Достигнуть это можно лишь при системном анализе состояния и динамики развития агроландшафтов, сопряженном анализе карт использования земель, форм организации территории и карт почвенного покрова.

Результаты моделирования рассматриваются нами лишь как основа для дальнейшего экономического моделирования системы землепользования, которое дает полное представление о состоянии и эффективном использовании почвенных ресурсов.

Список литературы

1. Кирюшин В.И. Экологические основы земледелия. - .: Колос, 1996. 366с.
2. Савин И.Ю., Федорова Е.Г. Геоинформационный анализ ресурсного потенциала земель для сельскохозяйственных целей // Современные проблемы почвоведения: Науч. тр. Почв. Ин-та им. В.В.Докучаева. М., 2000. С.144-155.
3. Шаталова О.И., Подпорина О.И. Развитие земледелия в Ставрополе//Земледелие, 2001.№5. с.18.