РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН ПОДТОПЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ НА ЗЕМЛЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОН ПОДТОПЛЕНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ НА ЗЕМЛЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Аннотация
Проведенное исследование представляет собой комплексную работу по разработке и апробации методики определения зон подтопления сельскохозяйственных земель с использованием современных геоинформационных технологий. Актуальность данной работы обусловлена возрастающей проблемой подтопления угодий, которое приводит к существенному снижению их продуктивности, ухудшению качества почв и значительным экономическим потерям для агропромышленного комплекса.
В ходе исследования был выполнен детальный анализ существующих подходов к определению зон подтопления, включая изучение нормативно-правовой базы, гидрологических и гидрогеологических факторов. На основе этого анализа разработана оригинальная методика, позволяющая с высокой точностью классифицировать территории по степени риска подтопления. Методика учитывает комплекс параметров: уровень грунтовых вод, особенности рельефа местности, литологический состав почв и антропогенное воздействие.
Особое внимание в работе уделено применению современных технологических решений. Использование беспилотных летательных аппаратов для аэрофотосъемки позволило получить высокодетализированные данные о состоянии сельхозугодий. Последующая обработка этих данных в специализированных программных комплексах Agisoft Metashape и Quantum GIS обеспечила создание точных цифровых моделей рельефа, ортофотопланов и тематических карт зон подтопления.
Важным результатом работы стало подтверждение эффективности предложенной методики. Использование современных технологий мониторинга позволяет не только точно определять зоны подтопления, но и оперативно реагировать на изменения гидрологической обстановки, что значительно повышает эффективность управления сельскохозяйственными землями.
Таким образом, проведенное исследование имеет существенную научную и практическую значимость. Разработанная методика позволяет не только диагностировать проблемные участки, но и предлагать эффективные решения по их мелиорации, что в конечном итоге способствует повышению продуктивности сельскохозяйственных земель и стабильности агропромышленного производства. Полученные результаты могут быть использованы как сельскохозяйственными предприятиями для повышения эффективности землепользования, так и органами власти при разработке программ развития агропромышленного комплекса.
1. Введение
Определение зон подтопления представляет собой сложный процесс, объединяющий гидрогеологические, гидрологические, геоморфологические и инженерно-геологические исследования. Основой для определения зон подтопления служит анализ уровня грунтовых вод, который считается ключевым критерием. Подтопление возникает, когда грунтовые воды подходят ближе чем на 1–2 метра к поверхности земли. Важную роль играют фильтрационные свойства грунтов, такие как коэффициент фильтрации и водоотдача, определяющие скорость подъема воды. Также учитывается связь подземных водоносных горизонтов с поверхностными водными объектами.
Гидрологические факторы включают режим поверхностных вод, особенно рек и озер, а также влияние паводков и инфильтрации атмосферных осадков. Геоморфологические условия, такие как рельеф местности, существенно влияют на распространение подтопления: низменности и поймы рек подвержены ему в наибольшей степени. Литологический состав грунтов также важен: глинистые породы удерживают воду, а песчаные быстро ее пропускают.
Результатом подтопления является изменение физических и физико-химических свойств почв и вод, преобразование грунтов, изменение видового состава и продуктивности растительного покрова .
Подтопленными участками являются земли, на которых уровень грунтовых вод достигает или превышает критические отметки, в результате чего происходит нарушение хозяйственной деятельности.
2. Методы и принципы исследования
Мониторинг подтопленных земель проводится не только для выявления ареалов и местоположения этих участков, но для установления причин, характера и степени подтопления. Результаты мониторинга используются для оценки неблагоприятных последствий подтопления и разработки конкретных рекомендаций по исправлению сложившейся ситуации.
Коллектив авторов из ФГБНУ ВНИИ «Радуга», под редакцией Н.Г. Ковалева, разработал «Методы оценки степени деградации сельскохозяйственных земель». Н.Б. Хитров, А.Л. Иванов, А.А. Завалин и М.С. Кузнецов опубликовали научную статью, рассматривающую «Проблемы деградации, охраны и пути восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения» с позиций социально-экономической географии .
А.Н. Костяков — основоположник и видный деятель в области агромелиорации в России. Его работы посвящены разработке методологий и техник планирования, проектирования, возведения и модернизации мелиоративных систем, предназначенных для сельскохозяйственных нужд .
А.М. Шульгин, физико-географ, заложил основы географической мелиорации. Он, опираясь на анализ эмпирических данных, установил ключевые закономерности взаимосвязи климата почвы с атмосферными условиями при различной толщине снежного покрова .
Подтопление сельскохозяйственных земель — серьезная проблема, приводящая к снижению урожайности, деградации почв и экономическим потерям. Эффективное противодействие этой угрозе требует комплексного подхода, включающего в себя не только инженерно-технические мероприятия, но и четкое понимание существующей нормативно-правовой базы. Основные нормативные акты, регулирующие вопросы использования и защиты сельскохозяйственных земель от подтопления.
Основой правового регулирования являются федеральные законы, определяющие общие принципы землепользования и охраны окружающей среды, к которым относятся:
– Земельный кодекс РФ (№ 136-ФЗ от 25.10.2001 с изменениями и дополнениями) ;
– Водный кодекс РФ (№ 74-ФЗ от 03.06.2006 с изменениями и дополнениями) ;
– Федеральный закон «О мелиорации земель» (№ 4-ФЗ от 10.01.1996 с изменениями и дополнениями) ;
– Федеральный закон «О государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения» (№ 101-ФЗ от 16.07.1998 с изменениями и дополнениями) ;
– Постановление Правительства РФ № 360 от 18.04.2014 ;
– Постановление Правительства РФ № 87 от 16.02.2008 ;
– ГОСТ 17.4.3.06-2020 .
3. Основные результаты и их обсуждение
В современном мире определение зон подтопления актуально при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Это гораздо быстрее, экономичнее и точнее полевых измерений.
Беспилотные летательные аппараты различают не только по способу их применения в определённых сферах нашей жизни или различием конструкции, но и по более устойчивым параметрам и характеристикам, например, взлетной массе, дальности, высоте и продолжительности полета, размерам самих аппаратов и т.д.
Различают следующие типы БПЛА, отличающихся конструкцией и принципом работы, взлета/посадки и назначения:
· БПЛА самолетного типа («Геоскан 201»);
· Мультироторные БПЛА (Альбатрос D1, D5, A5h);
· БПЛА Аэростатического типа (ДП- 27 «Анюта»);
· Беспилотные конвертопланы и гибридные модели.
Примером, рассмотрения возьмём БПЛА самолетного типа (рис. 1).
Рисунок 1 - Геоскан 201 и его составляющие
Для получения ортофотопланов необходимо провести много работ, а именно:
· получить границы полета в электронном виде и подготовить план полета;
· за 3 дня до работ закрыть воздушное пространство от полетов других воздушных судов на время проведения работ;
· на местности установить наземное геодезическое оборудование;
· подготовить БПЛА к работе и произвести аэрофотосъемку.
Полученные с использованием комплекса материалы могут использоваться для:
· создания ортофотопланов масштаба 1:500 – 1:2000; позволяет увидеть фотографический план местности, на котором представлена земная поверхность и объекты на ней;
· трехмерного моделирования участка местности; позволяет планировать на цифровом представлении Земли и связных объектах на урбанистических территориях;
· создания карт высот местности; дает увидеть изображение местности, ландшафта земли в двумерном представлении;
· вычисления объемов пород в карьерах и насыпных объектах; позволяет автоматически рассчитать точный объем для проведения дальнейших работ;
· обследования состояния объектов инфраструктуры, дорожного полотна; своевременное определения состояния позволит быстро произвести все последующие работы по ремонту дорог, а также контроль качества произведённых работ на каком-либо участке дороги;
· инвентаризации лесов и посевов; Пензенский регион является аграрным 72% занимают земли с/х назначения контроль за функционирование данных территорий осуществляется наземными обследованиями и методами ДЗЗ;
· оценки ущерба и планирования аварийно-спасательных работ;
· при ЧС, таких как наводнения, оползни и пожары.
Аэрофотосъемка позволяет в сжатые сроки и с минимальными денежными затратами получать изображения с высоким разрешением и полный спектр необходимой информации
.Оцифровка границ земельных участков — задача, актуальная для множества сфер, от точного земледелия и кадастра до экологического мониторинга и планирования инфраструктуры.
QGIS, бесплатный и мощный ГИС-пакет с открытым кодом, предоставляет все необходимые инструменты для выполнения этой задачи с высокой точностью и эффективностью. Данная работа послужит подробным руководством по оцифровке границ полей в QGIS, начиная с подготовки данных и заканчивая экспортом результатов.
1. Подготовка данных: фундамент точной оцифровки
Качество исходных данных — ключевой фактор, определяющий точность оцифровки. Перед началом работы необходимо подготовить:
Базовая карта (подложка): идеальным вариантом является ортофотоплан — геопривязанный аэрофотоснимок с минимальными геометрическими искажениями. Высокое разрешение ортофотоплана значительно облегчит процесс оцифровки, позволяя четко различить границы полей. В качестве альтернативы можно использовать спутниковые снимки высокого разрешения, но помните, что облачность и разрешение могут повлиять на точность.
Загрузка подложки в QGIS: существует несколько способов загрузки подложки:
QuickMapServices: этот удобный плагин предоставляет доступ к различным онлайн-картам, таким как Google Satellite, Bing Aerial и OpenStreetMap. Установите плагин через меню Плагины → Управление и установка плагинов, найдите QuickMapServices и установите его. После перезапуска QGIS вы сможете добавлять слои онлайн-карт через панель QuickMapServices (рис. 2 и 3).
Рисунок 2 - Плагин QuickMapServices в панели плагинов
Рисунок 3 - Плагин QuickMapServices в панели инструментов
Рисунок 4 - Добавление растрового слоя в проект
Рисунок 5 - Изменение системы координат в проекте
После загрузки подложки необходимо создать новый векторный слой, в котором будут храниться оцифрованные границы полей. Для этого выполните следующие шаги:
1. Перейдите в меню Layer → Create Layer → New Shapefile Layer (рис. 6).
Рисунок 6 - Создание нового Shape-файла
3. Укажите имя слоя (например, «Границы_полей»).
4. Выберите систему координат (та же, что и у вашей подложки).
5. Укажите атрибуты, которые вы хотите хранить для каждого поля (например, «ID поля», «Площадь», «Культура»). Это можно сделать, добавляя поля с соответствующим типом данных.
6. Нажмите «OK». Новый векторный слой появится в списке слоев (рис. 7).
Рисунок 7 - Вид окна по создаю слоя и его настройки
3. Оцифровка границ полей:
Теперь можно приступать к непосредственной оцифровке.
Активируйте режим редактирования нового векторного слоя, нажав кнопку Toggle Editing (значок с карандашом) в панели инструментов.
Используйте инструмент Add Feature (значок с плюсом) для начала создания нового многоугольника.
Кликайте по точкам, соответствующим границам поля на подложке. Старайтесь точно следовать контуру поля.
Завершите создание многоугольника, щелкнув правой кнопкой мыши или дважды кликнув на последнюю точку.
Заполните атрибуты для созданного поля в открывшемся окне (рис. 8). Площадь поля считается автоматически в калькуляторе после внесения данных о номере поля и культуры.
Рисунок 8 - Заполнение таблицы атрибутов слоя с границами
4. Редактирование и сохранение результатов:
После оцифровки всех полей необходимо проверить точность и внести необходимые корректировки. Инструменты Node tool (редактирование вершин многоугольника) и Snapping (привязка к точкам) помогут в этом.
После завершения редактирования сохраните изменения, нажав кнопку Save Edits в панели инструментов. QGIS сохранит результаты в созданный вами shapefile.
5. Экспорт данных:
Оцифрованные данные можно экспортировать в различных форматах, например, shapefile, GeoJSON или KML, используя меню Layer → Export → Save Features As. Выберите желаемый формат и укажите место сохранения файла (рис. 9 и 10).
Рисунок 9 - Экспорт векторного слоя
Рисунок 10 - Окно настроек экспорта векторного слоя
Затопление — серьезная угроза для населения и инфраструктуры. Точное определение зон потенциального подтопления критически важно для планирования мер по снижению рисков. С помощью открытых и бесплатных ГИС-пакетов QGIS и SAGA GIS можно эффективно анализировать цифровые модели местности (ЦММ) и определять зоны, подверженные затоплению. Это руководство предоставит пошаговое описание процесса.
1. Подготовка данных:
Перед началом анализа необходимо подготовить необходимые данные:
Цифровая модель местности (ЦММ): ЦММ представляет собой растровое изображение, показывающее высоту поверхности Земли. Источники ЦММ разнообразны: SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) предоставляет глобальные данные с разрешением 30 метров, ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) предлагает более высокое разрешение, а LiDAR (Light Detection and Ranging) — наиболее точные данные с высоким разрешением, но часто охватывают меньшие территории. Формат данных должен быть совместим с QGIS (например, GeoTIFF). Важно убедиться в правильности проекции (системе координат) ЦММ.
Уровень воды: для анализа необходимо определить уровень воды, который будет использоваться в качестве порога. Это может быть средний уровень реки, уровень воды при максимальном паводке за определенный период, или прогнозируемый уровень воды при экстремальном сценарии. Значение уровня воды должно быть выражено в тех же единицах, что и высоты на ЦМР (обычно в метрах).
2. Загрузка данных в QGIS:
Запустите QGIS.
Добавьте слой ЦММ, используя меню "Layer" → "Add Layer" → "Add Raster Layer". Выберите ваш файл ЦММ.
Проверьте систему координат (CRS) вашего слоя ЦММ. Она должна соответствовать системе координат вашей области исследования. В случае несоответствия, потребуется выполнить перепроецирование. Это можно сделать с помощью инструмента "Reproject Raster" в Processing Toolbox QGIS.
3. Установка и настройка SAGA GIS:
Убедитесь, что SAGA GIS установлен на вашем компьютере. Он должен быть совместим с вашей версией QGIS. Инструкция по установке SAGA GIS доступна на официальном сайте проекта.
После установки SAGA GIS должен автоматически интегрироваться в QGIS. Вы должны видеть инструменты SAGA GIS в Processing Toolbox.
4. Предобработка ЦММ:
Перед проведением гидрологического анализа ЦММ часто требует предобработки. Это необходимо для устранения артефактов и повышения точности результатов. Ключевым шагом является заполнение впадин ("Fill Sinks"):
Откройте Processing Toolbox в QGIS.
Найдите инструмент SAGA → "Terrain Analysis" → "Preprocessing" → "Fill Sinks".
Выберите загруженный слой ЦМР в качестве входного растра.
Укажите место сохранения обработанного растра.
Запустите инструмент. Это создаст новый растровый слой с заполненными впадинами, более подходящий для гидрологического моделирования.
5. Определение зон подтопления:
Теперь, когда ЦМР подготовлена, можно определить зоны подтопления:
В Processing Toolbox найдите инструмент SAGA → "Raster Calculus" → "Raster Calculator".
6. Интерпретация результатов:
Полученный растровый слой показывает зоны потенциального подтопления. Вы можете визуализировать его в QGIS, используя подходящую цветовую палитру. Более того, вы можете экспортировать этот слой в различные форматы для дальнейшего использования в других приложениях или для создания отчетов.
Этот метод предоставляет основу для анализа рисков затопления. Для более сложных сценариев, таких как учет скорости потока воды или проницаемости почвы, потребуются более продвинутые инструменты и модели. Тем не менее, QGIS и SAGA GIS предоставляют мощный и доступный инструмент для первоначальной оценки зон подтопления.
Все описанные действия по определению зон подтопления можно поместить в модель, она выглядит так (рис. 11).
Рисунок 11 - Модель по определению зоны подтопления
4. Заключение
В современных условиях изменения климата и усиления антропогенной нагрузки на агроландшафты проблема подтопления сельскохозяйственных угодий приобретает особую актуальность. Разработанная методика предлагает комплексный подход к решению этой проблемы, интегрируя передовые технологии дистанционного зондирования, геоинформационного анализа и традиционных полевых исследований , .
На первом этапе осуществляется тщательный сбор и систематизация разнообразных пространственных данных, которые в совокупности позволяют получить целостную картину состояния сельскохозяйственных территорий. Особое внимание уделяется получению высокоточных цифровых моделей рельефа с использованием современных беспилотных технологий, обеспечивающих беспрецедентную детализацию поверхности. Параллельно собираются исторические данные о гидрологическом режиме территории и метеорологических особенностях региона, что позволяет учитывать сезонные колебания факторов подтопления.
Полевой этап исследований имеет принципиальное значение для верификации данных дистанционного зондирования. Специалисты проводят регулярные замеры уровня грунтовых вод в сети наблюдательных скважин, уделяя особое внимание критическим периодам (весеннее половодье, затяжные дожди). В ходе полевых работ фиксируются многочисленные индикаторы переувлажнения: от визуально заметных изменений почвенного покрова до характерных изменений в структуре растительных сообществ. Эти наблюдения дополняются опросом местных аграриев, обладающих ценными эмпирическими знаниями о динамике подтопления на своих угодьях.
На этапе камеральной обработки собранные данные подвергаются сложному многоступенчатому анализу с использованием специализированного программного обеспечения. Гидрологическое моделирование позволяет не только выявить текущие зоны подтопления, но и спрогнозировать развитие неблагоприятных процессов при различных сценариях изменения внешних условий. Особое значение при этом имеет учет почвенных характеристик, определяющих фильтрационные свойства грунтов и, следовательно, динамику подтопления.
Полученные результаты подвергаются тщательной проверке путем сравнения с данными полевых наблюдений и историческими материалами. Этот процесс может включать несколько итераций уточнений, пока не будет достигнута удовлетворительная точность модели. Особое внимание уделяется пограничным зонам, где даже незначительные изменения рельефа или почвенных характеристик могут существенно влиять на картину подтопления.
Финальным этапом является трансформация полученных данных в практически значимые продукты. Создаваемые тематические карты сопровождаются подробными аналитическими материалами, содержащими не только описание текущего состояния территории, но и прогноз его изменения, а также конкретные рекомендации по мелиорации. Особую ценность представляет экономическая оценка последствий подтопления, позволяющая обосновать инвестиции в защитные мероприятия.
На рисунке 12 кратко описаны этапы методики.
Рисунок 12 - Схема методики определения зон подтопления
Рисунок 13 - Фрагмент с обозначенными границами зон подтопления и цифровой моделью местности
Разработанная методика представляет собой эффективный инструмент для решения актуальных задач устойчивого развития агроландшафтов, позволяющий сочетать научную обоснованность с практической применимостью в реальных условиях сельскохозяйственного производства.