Практические подходы к дешифрированию объектов мелиоративных систем и гидротехнических сооружений

      Комментарии к записи Практические подходы к дешифрированию объектов мелиоративных систем и гидротехнических сооружений отключены

Практические подходы к дешифрированию объектов мелиоративных систем и гидротехнических сооружений

А. В. Абросимов, О. С. Сизов, Р. Е. Кива

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТ

Главной целью мелиорации сельскохозяйственных земель есть расширенное воспроизводство плодородия земли, получение оптимального урожая сельскохозяйственных культур при экономном расходовании ресурсов, недопущение либо компенсация ущерба землепользователям и природным системам. В Российской Федерации в первый раз научно обоснованную мелиорацию громадных территорий внес предложение создатель русском школы почвоведов В. В. Докучаев в конце XIX века.

Во время большого развития мелиоративных работ (1967–1985 гг.) на постсоветском пространстве площадь орошаемых земель достигала 19,9 млн. га, а осушаемых — 15,5 млн. га. [2]. К 2013 г. площадь мелиорации сократилась до 8902,187 тыс. га (4251,384 тыс. га — орошение, 4650,803 тыс. га — осушение). Наряду с этим более чем половины оросительных совокупностей (2,4 млн. гектаров) испытывает недостаток в проведении работ по техническому перевооружению и реконструкции [4].

Распоряжением Правительства РФ от 22 января 2013 г. № 37-р была принята федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014–2020 годы», в рамках которой предполагается проведение технических, организационных, экологических, технологических и хозяйственных мероприятий по модернизации и восстановлению существующих, и созданию новых мелиоративных совокупностей [4].

Необходимость реализации данной программы определяется критической обстановкой в сфере мелиорации РФ, сложившейся на фоне недостаточного внимания страны к постройке, эксплуатации и ремонту мелиоративных совокупностей начиная с 90-х годов прошлого века. Засуха 2010 г. особенно четко показала всю критичность обстановки.

В этих условиях видится целесообразным внедрение инновационных мониторинга и методов инвентаризации, одним из которых есть использование дистанционных данных — космических снимков Почвы. В данной работе рассматриваются практические подходы по применению космических снимков для оценки и картирования состояния мелиоративных совокупностей (МС) и гидротехнических сооружений (ГТС), и контроля работ по их постройке, эксплуатации и ремонту.

ТЕРРИТОРИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ

Отработка подходов дешифрирования проводилась на примере территории Рязанской области. Тут по состоянию на 01.01.2012 г. насчитывается 297 мелиоративных совокупностей, а также осушительных — 194, оросительных — 103. Площадь мелиорированных земель образовывает 125,5 тыс. га, из них орошаемых — 27,9 тыс. га, осушенных — 96,8 тыс. га.

Все мелиоративные совокупности открыты 25 и более лет назад и фактически выработали собственный ресурс [1].

На территории области для детального анализа были выбраны 3 эталонные мелиоративные совокупности (рис. 1):

  1. «Красная Заря — Варские — Шумашь» — осушительная.
  2. «Кормовые угодья — Тинки» — осушительно-обводнительная.
  3. «Овощевод» — осушительно-обводнительная.

Рис. 1. Обзорная карта размещения района работ (отмечен штриховкой)

Эти совокупности характеризуются размещением в пределах Мещерской низины, одного из самых активных в прошлом объектов мелиорации в СССР [3], хорошей транспортной доступностью, разнообразием природных условий, и сочетанием главных элементов мелиоративных совокупностей на ограниченной территории. Проектное задание осушения под сенокосные угодья и пашню было составлено Мещерской экспедицией «Росгипроводхоз» в 1955 г.

Изначально осушение участков планировалось проводить каналами глубиной 2 м, расположенными на расстоянии 200 м. При реконструкции на отдельных участках открытая осушительная сеть была заменена на закрытую коллекторно-дренажную сеть. Основной обстоятельством заболачивания есть большой уровень стояния грунтовых вод.

Преобладающая глубина их залегания образовывает 0,5–1,0 м, средняя по территории мощность торфа — 1–2 м. Питание водоносного горизонта происходит, в основном, за счет инфильтрации талых и паводковых вод р. Оки, и за счет осадков и притока подземных вод со стороны водораздельных массивов. Неспециализированное направление грунтового потока — с северо-востока на юго-запад [1].

Водоприемниками осушительных совокупностей помогают пруд-накопитель, магистральный канал О-I, что впадает в реку Ока и конкретно р. Ока. Сопряжение бьефов каналов в местах перегибов склонов осуществляется посредством шлюзов-регуляторов, каковые в один момент являются переездами. Наполнение пруда-накопителя кроме этого осуществляется через шлюз-регулятор.

Участки мелиорации на данный момент в отдельных местах заросли древесно-кустарниковой растительностью, в связи с чем затруднена работа открытых проводящих каналов и закрытый дренаж. Водоотвод с объекта по магистральным каналам осуществляется ФГУ «Управление «Рязаньмелиоводхоз», которое в течении последних лет проводит работы по расчистке и модернизации мелиоративных совокупностей.

РЕЗУЛЬТАТЫ и ХОД ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ

В общем виде работы по дешифрированию объектов МС и ГТС возможно поделить на следующие этапы:

1.предварительная обработка и Получение космических снимков с заданными параметрами на всю территорию изучений.

  1. преобразование и Сбор в электронный вид архивных паспортов (и материалов схем МС).

3.Проведение полевых работ по обследованию главных объектов и установлению дешифровочных показателей для каждого типа объектов.

  1. Исполнение в камеральных условиях дешифрирования объектов МС и ГТС на базе установленных прямых и косвенных показателей.

Разглядим подробнее каждых из вышеперечисленных этапов.

Получение покрытия космических снимков

Все многообразие космической съемки принято классифицировать по трем главным параметрам: по спектральному диапазону, по разработке получения изображения и по пространственному разрешению.

Для мониторинга и дешифрирования состояния мелиоративных совокупностей самый предпочтительно применение оптических панхроматических и мультиспектральных снимков очень высокого, большого и среднего пространственного разрешения.

Мультиспектральные космические снимки очень высокого разрешения (0,5–2 м/пикс.) разрешают с уверенностью выявить многие виды наземных элементов мелиоративных гидротехнических сооружений и систем, а также каналы, отрегулированные водоприемники, водохранилища и пруды, дамбы и плотины, и поверхностные дрены, коллекторы, водозаборные пункты, мосты и трубопереезды. Также при таковой детальности съемки прекрасно дешифрируются объекты бытового и промышленного строительства — постройки всех типов, опоры линий электропередач и т. п. находящиеся в близи от элементов МС.

В рамках данного изучения были использованы космические снимки QuickBird, GeoEye-1, WorldView-2 и Pleiades. Территория работ была покрыта мультиспектральными изображениями с разрешением на местности не хуже 1 м за период август-сентябрь 2004– 2013 гг. (рис. 2).

Типы съемочных даты и систем съемки представлены в табл. 1.

Рис. 2. Пример покрытия района работ снимками КА GeoEye-1 за 2010–2011 гг.

Таблица 1. Даты съемки территории разглядываемых мелиоративных совокупностей

Спутник

Дата съемки

QuickBird 19.08.2004
04.09.2009
GeoEye-1 02.07.2010
15.08.2011
WorldView-2 15.08.2012
Pleiades 09.08

Космические снимки большого разрешения (2–10 м/пикс.) также будут употребляться в целях описи состояния разных типов каналов, прудов, водохранилищ, дамб и плотин. С применением данных снимков существует возможность как визуального, так и автоматического определения таких параметров как ширина и протяжённость канала, тип и наличие зарастания, наличие участков сужения русла, разрушения береговых упрочнений, плотин, плотин и т. д.

Мультиспектральные космические снимки среднего разрешения (10–30 м/пикс.), владеющие высокой временной повторяемостью, смогут быть использованы для оценки состояния растительности осушаемых (орошаемых) участков через определение количества активной фитомассы. Эти значения могут служить косвенными показателями эффективности функционирования мелиоративной совокупности в течение вегетационного периода.

Все полученные снимки для обеспечения качества тематических работ прошли следующие процедуры предварительной обработки: геометрическую коррекцию (ортотрансформирование), создание изображений в разных вариантах цветового синтеза (видимые и инфракрасные цветы), подстройку гистограммы под разные типы объектов (инфраструктура, растительность), трансформирование растровых файлов в заданную совокупность координат, и создание мозаичных покрытий.

Нужно подчернуть, что фотограмметрическая обработка современных данных дистанционного зондирования очень высокого разрешения (0,5–2 м/пикс.) с применением сопровождающих их коэффициентов рационального многочлена, приближенно обрисовывающих модели общедоступных моделей и камеры рельефа разрешает приобретать ортоизображения высокой геометрической точности. Практически это указывает, что по снимкам WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 и Pleiades без применения наземной опорной информации возможно создавать ортофотопланы, соответствующие по точности М 1:10 000 (СКО 5 м на местности).

преобразование и Сбор архивных материалов

Схемы мелиоративных совокупностей как правило являются планами внутрихозяйственного применения земель с нанесенными элементами мелиоративных совокупностей, и площадей орошаемых и осушаемых земель (рис. 3). По большей части они представлены в бумажном, реже в отсканированном виде. Для сканирования бумажных схем предпочтительнее пользоваться широкоформатными сканерами, не смотря на то, что смогут быть использованы и офисные сканеры форматов A4–A3.

Строгих требований к геометрической точности сканирования нет, но применение узкоформатных сканеров значительно увеличивает затраты времени и труда на сшивку и сканирование фрагментов больших схем.

Рис. 3. Фрагмент схемы мелиоративных совокупностей

Сканы геокодируются к ранее подготовленным космическим снимкам с применением инструментов пространственной привязки, к примеру в ArcMap (рис. 4), указанием прекрасно различимых опорных точек на снимках и схеме-перекрестков дорог, каналов и пр. Количество опорных точек и способ трансформирования зависит от качества сканов и выбирается оператором.

Рис. 4. Геопривязка схемы мелиоративных совокупностей в ПО ArcGIS (красными линиями обозначены GPS-треки полевых маршрутов)

Геометрическое уровень качества большинства отсканированных схем по Рязанской области возможно оценить как низкое, что связано с изюминками составления, низкой актуальностью материалов, старением жёсткой копии, погрешностями сканирования и т. д.

Паспорта МС и ГТС являются многостраничные бумажные документы, имеющие значительные расхождения в оформлении в зависимости от региона, времени других причин и заполнения. Главная часть информации представлена в виде печатных форм, но часто видятся паспорта в письменном виде, что затрудняет машинную обработку.

Как пример возможно привести паспорт совокупности «Красная Заря — Варские — Шумашь», что представляет собой 15-ти страничный документ, складывающийся из следующих разделов:

  • оценочная цена к паспорту осушительной совокупности (сети) в хозяйстве;
  • ведомость балансовой стоимости и технического состояния осушительной совокупности (сети) в хозяйстве:

I. Главные показатели осушительной совокупности (сети) в хозяйстве.

II. Отрегулированные водоприемники.

III. Магистральные и другие проводящие каналы.

IV. Оградительные (нагорные, ловчие) каналы. Защитные валы (плотины). Открытая регулирующая сеть.

V. Сооружения на водоприемниках и открытой осушительной сети.

VI. Закрытая сооружения и осушительная сеть на ней.

VII. Насосные станции (установки) для перекачки воды.

VIII. Водомерные устройства для измерений затрат воды и наблюдений за уровенным режимом.

IX. Эксплуатационные дороги.

X. Подъездные дороги от хозяйственных центров к осушительным сетям.

В любых ситуациях (за исключением уже имеющихся оцифрованных данных) нужно преобразование паспортов МС в внесение информации и электронную форму в атрибутивную составляющую базы геоданных.

Проведение полевых обследований

В соответствие с неспециализированной методикой дистанционных изучений по окончании предварительного анализа и сбора информации обстановки выполнялось полевое обследование главных участков в целях установления дешифровочных показателей объектов МС и ГТС. На главных участках (маршрутах) отбиралась вся нужная информацию об объектах методом описания, измерения, отбора образцов, фотосъемки. На протяжении работ на снимке либо карте фиксируется расположение эталонных участков.

Полевое обследование объектов мелиоративных совокупностей «Красная Заря — Варские — Шумашь» и «Тинки — Столичная» произошло 12 ноября 2013 г. (рис. 5). Были осмотрены, сфотографированы, обрисованы и отмечены на картах и в спутниковых навигаторах следующие типы объектов:

  1. отрегулированные водоприемники (водохранилища, пруды).
  2. магистральные, проводящие, регулирующие, оградительные (нагорные, ловчие) осушительные каналы.
  3. оросительные каналы.
  4. открытые коллекторы.
  5. защитные валы (плотины), плотины.
  6. грунтовые и дороги .
  7. мосты и трубопереезды.
  8. водозаборы, насосные станции.
  9. свалки ТБО и иные несанкционированные объекты.
  10. участки проведения ремонтных и строительных работ.
  11. участки проведения работ по расчистке каналов.
  12. участки заболачиваний и подтоплений.

На протяжении работ подробно осмотрены участки каналов, подверженных эрозионным процессам, зарастанию, антропогенным изменениям и заилению.

Рис. 5. Схема полевых маршрутов (номера точек соответствуют номерам обрисованных эталонов)

Исполнение дешифрирования МС и ГТС

В рамках данных работ были использованы визуальные и автоматизированные способы дешифрирования данных ДЗЗ очень высокого пространственного разрешения.

К преимуществам визуального способа дешифрирования возможно отнести:

  • легкость получения пространственной информации;
  • одновременное применение всей совокупности дешифровочных показателей (в особенности косвенных показателей) на базе интуиции дешифровщика и логического мышления.

Сопоставление результатов материалов и полевого обследования космической съемки разрешило выделить дешифровочные показатели для всех типов объектов МС и ГТС, вышеперечисленных. Показатели составили атлас дешифрирования мелиоративных совокупностей, включающий космические изображения, фотографии и описание объектов. Как пример возможно привести показатели визуального выделения осушительных каналов разных категорий.

Каналы являются протяженные линейные объекты, благодаря чему они легко дешифрируются по ДДЗ большого разрешения. Предпочтительней всего применять синтез с ближним ИК каналом, т. к. в ближнем ИК канале вода максимально поглощает солнечную энергию и открытые заполненные водой каналы четко выделяются на фоне окружающих ландшафтов.

В связи с тем, что каналы как понижения рельефа являются ловушкой для семян, бровки довольно часто зарастают древесно-кустарниковой и травянистой растительностью (рис. 6, 7, 8). Исходя из этого, при отсутствии профилактических и ремонтных мероприятий, каналы оказываются в тени или полностью под пологом крон, что делает вероятным дешифрирование лишь по косвенным показателям — размещение в пределах линейных полос древесной растительности.

В таких случаях, непременно, затруднено измерение дешифрирование и ширины канала газотранспортных объектов.

Рис. 6. Канал 1-ОГД, заросший древесной растительностью. МС Красная Заря (слева — космический снимок GeoEye-1, справа — фото 2014 г.)

Рис. 7. Оросительный канал, заросший кустарниковой растительностью. МС Красная Заря (слева — космический снимок GeoEye-1, справа — фото 2014 г., фото с точки 35)

Рис. 8. Зарастание макрофитами канала 6-ОГД (слева — космический снимок GeoEye-1, справа — фото 2014 г.)

На возделываемых полях, где систематично выполняют чистки от зарастания, каналы выглядят как чёрные полосы, т. к. заполненные чистой водой поглощают солнечную энергию, а сухие затенены. Эвтрофированные каналы выглядят напротив ярче (рис. 9), наряду с этим смещаясь по цвету в светло-зеленую территорию спектра на снимках в естественных цветах.

Рис. 9. Эвтрофирование каналов (слева – космический снимок GeoEye-1, справа – фото 2014 г.)

Оросительные каналы отличаются от других регулярным расположением и шириной (обычно на протяжении орошаемых полей через равное расстояние — около 100 м).

Автоматизированное дешифрирование с применением процедур сегментации и автоматической классификации частично употреблялось для каналов с открытой водной поверхностью, водохранилищ и прудов, и больших дорог. дрены и Закрытые каналы наносятся по схемам мелиорации.

Потом на базе схем и паспортов МС, и на базе космических снимков происходит наполнение атрибутивной информацией векторных объектов. В частности для разных типов каналов из космических снимков возможно извлечены следующие параметры:

  • средняя ширина и Протяжённость русла
  • процент и Тип зарастания
  • Наличие эвтрофирования
  • Наличие заиления
  • число и Наличие завалов, заломов
  • число и Наличие непреодолимых препятствий
  • Проявления экзогенных процессов
  • площадь и Число экзогенных форм
  • число и Типы объектов в водоохранной территории
  • Наличие участков подтоплений
  • Трансформации облицовки, площадь и наличие ремонтно-строительных работ

По окончании полной векторизации объектов, входящих в мелиоративную совокупность, и внесения всей атрибутивной информации выполняется последовательность процедур геоинформационного анализа в целях установления связей между объектами МС и ГТС и другими объектами (построение буферных территорий в целях определения водоохранных территорий, измерение расстояний от объектов строительства до элементов МС и т. п.).

Созданная база геопространственных данных кроме ее яркого применения в качестве информационного источника на управления и всех уровнях контроля, может служить основой для мониторинга состояния мелиоративной совокупности.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На протяжении проведения работ по дешифрированию мелиоративных совокупностей для каждого этапа были выработаны требования, уточнения, корректировки, каковые составляют предмет дискуссии.

самая подходящей для ответа большинства задач есть мультиспектральная космическая съемка очень высокого разрешения (0,5–1 м/пикс.). На ее базе с большой точностью выполняется векторизация объектов МС и ГТС, осуществляется геопривязка схем мелиоративных совокупностей, определяется состояние объектов мелиорации и прослеживается большая часть происходящих трансформаций. Съемка большого и среднего пространственного разрешения (2–30 м/пикс.) может использоваться для мониторинга и оперативного выявления больших трансформаций, и при оценке эффективности функционирования мелиоративных совокупностей.

Наименее трудоемким методом геометрической коррекции космических снимков есть ортотрансформирование с применением общедоступных моделей рельефа без применения опорной наземной информации. Такая разработка разрешает создавать ортофотопланы М 1:10000 по снимкам очень высокого разрешения, ортофотопланы М 1:25000 по снимкам большого разрешения и ортофотопланы М 1:50 000 — 1:100 000 по снимкам среднего разрешения. точность и Подобная детальность в полной мере соответствуют целям проводимых изучений.

Для визуального анализа снимков, в т. ч. на этапе предварительных работ, оптимально представление мультиспектральных космических снимков в двух вариантах цветового синтеза — в естественных цветах и в сочетании с ближним ИК-каналом. Допустимы наряду с этим два варианта подстройки гистограммы: под технические объекты мелиоративных совокупностей и под растительность, для наилучшего отображения большинства объектов.

Геопривязка схем мелиоративных совокупностей обязана осуществляться с большой точностью, потому, что лишь по ним смогут быть векторизованы подземные элементы (дрены, коллекторы и т. п.). Для внесения информации о мелиоративных совокупностях и составляющих их элементах в атрибутивную составляющую базы геопространственных данных нужно преобразование в электронную форму существующих паспортов МС. Наряду с этим особенное внимание должно уделяться тем чертям, каковые не соответствуют текущему положению и смогут быть обновлены дистанционными методами.

Серьёзным информационным ресурсом при проведении дешифрирования являются полевые работы, на протяжении которых производится описание главных эталонных участков, заверка результатов предварительных работ, и обеспечивается глубокое познание экспертами в области дистанционного зондирования проблематики функционирования мелиоративных совокупностей. Полевые работы смогут быть включены в качестве промежуточного этапа перед стадией камерального дешифрирования при затруднений либо не сильный знакомства экспертов с территориальными и отраслевыми изюминками, при большого природного разнообразия, или значительных трансформаций, случившихся с момента составления схем МС.

Визуальное и автоматизированное дешифрирование и векторизация объектов МС и ГТС, и других объектов, взаимодействующих с ними, по ортофотопланам космических снимков должно проводиться с применением подготовленной ГИС- модели на базе четко установленных дешифровочных показателей и с указанием заданного комплекта атрибутивных параметров (ширина и протяжённость каналов, тип и степень зарастания, габариты мостовых переходов и т. п.).

В данном изучении был очерчен круг с уверенностью выявляемых (дешифрируемых) объектов, в т. ч. автоматическими способами. На последовательности примеров, в пределах модельных мелиоративных совокупностей, продемонстрирована возможность автоматического определения площади зарастания, уменьшения ширины русла каналов, завалов и образования заломов, установления фактов подтопления полей и т. д.

Оценка эффективности функционирования мелиоративных совокупностей возможно вероятна через определение биопродуктивности посевов и заболачивания процессов сельхозугодий и мониторинг переувлажнения по спектральным индексам, рассчитываемым с применением временных серий мультиспектральных снимков среднего разрешения. Данное направление в работе не рассматривалось, воображая предмет для будущих изучений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты работ продемонстрировали, что объекты МС и ГТС смогут быть удачно распознаны методом дешифрирования современных космических снимков. Наряду с этим список идентифицируемых объектов возможно существенно увеличить, применяя для дистанционного анализа единовременное покрытие съемкой всей исследуемой территории. К таким объектам возможно отнести проявления природных и антропогенных процессов, каковые оказывают негативное действие на функционирование, эффективность мелиоративной совокупности, и агробиоценоза в целом (участки зарастания, эрозии, места складирования бытовых отходов и пр.).

Процесс дешифрирования объектов МС должен быть основан на применении дополнительных справочных паспортов (и материалов схем МС), что обеспечит правильную идентификацию объектов, и заполнение атрибутивных баз данных. Для сбора эталонов дешифрирования, описания дешифровочных проверки и признаков отдельных черт, содержащихся в паспортах МС, рекомендуется проведение полевых обследований, в особенности для территорий со своеобразными природными условиями.

Применение автоматизированных и верифицируемых методик обработки космической съемки разрешают проводить регулярные наблюдения за состоянием как отдельных объектов, так и мелиоративных совокупностей в целом. В частности, эффективность функционирования МС возможно оценена по сериям разновременных космических снимков, отражающих заболачивания процессов земель и развитие обводнения (в пределах осушительных совокупностей), и методом оценки биологической продуктивности посевов через динамику вегетационных индексов (в пределах оросительных и осушительно-оросительных совокупностей).

Так, совершённые на примере трех мелиоративных совокупностей изучения продемонстрировали высокую эффективность подходов к дистанционному дешифрированию объектов МС и ГТС. Предстоящее развитие обрисованных способов возможно выражено в виде единой системы и информационного обеспечения мониторинга мелиоративной деятельности на территории РФ.

Авторы высказывают признательность за информационную помощь отделу эксплуатации МС и ГТС ФГБУ «Управление «Рязаньмелиоводхоз» (начальник — В. Н. Ульянов) и в частности главному мелиоратору Т. Н. Сысоевой за помощь в проведении и организации полевых работ.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Водорезов А.В. Антропогенный морфогенез в пределах староосвоенных территорий центра Русской равнины и его роль в транс- формации исходных ландшафтов: На примере Рязанской области: диссертация … канд. геогр. наук: 25.00.23.- Ярославль, 2005. — 253 с.
  2. Голованов А.И., Айдаров И.П., Григоров М.С. и др. Мелиорация земель. — М.: КолосС, 2011. — 824 с.
  3. Колпаков В.В., Сухарев И.П. Сельскохозяйственные мелиорации. — М.: Колос, 1981 г. — 328 с.
  4. Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяй- ственного назначения России на 2014-2020 годы» — [Электронный ресурс] Режим до- ступа: http://www.mcx.ru/documents/file_ document/v7_show/25439..htm, вольный.
  5. Ведомственная целевая программа «Развитие мелиорации в Рязанской области на 2012-2014 годы» — [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.ryazagro.ru/upload/ iblock/512/prog_miliorac.pdf, вольный.
  6. Колпаков В.В., Сухарев И.П. Сельскохозяйственные мелиорации. — М.: Колос, 1981 г. — 328 с.

Технологии обработки космических снимков ENVI


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: