XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Применение метода дистанционного зондирования земли для оценки зарастания сельскохозяйственных земель Орловской области

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шаповал К.С. 1Езгиндарова В.С. 1

---

1БОУ ОО "Созвездие Орла"

Азарова Л.А. 1

---

1БОУ ОО "Созвездие Орла"

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

1.1. Актуальность

Сейчас в Центральной России не используется около половины всей площади сельскохозяйственных земель. Общая площадь земель сельхозназначения Росреестр оценивал в 382,5 млн га, в том числе сельхозугодий - 197,7 млн га. За последние 10 лет были выведены из сельскохозяйственного оборота около 800 тысяч га пашни, что составляет 30% сельскохозяйственных угодий России.

В Центральной России - Смоленской, Тверской, Вологодской, Ярославской, Кировской областях - не используется до половины площади пашни. Не менее остро данная проблема стоит и в Орловской области. Некоторые поля являются заброшенными, и из-за прекращения использования поля и луга стали зарастать дикорастущими травами, деревьями и кустарниками. Неиспользование земельного участка даже в течение 1 полевого сезона (весенне-летний период) приводит к зарастанию его сорной растительностью.

Активный ввод в оборот неиспользуемых земель позволит дать новые рабочие места сельским жителям, увеличить поступление налогов в бюджет и существенно нарастить производство агропродукции. "Это государственная задача - сделать так, чтобы земля работала - давала урожай, обеспечивала село дополнительными рабочими местами, а бюджет - налогами", - считает первый заместитель председателя аграрного комитета Госдумы Владимир Плотников.

До 2030 года государство планирует ввести в оборот 12 млн га земель. Для этого предстоит провести масштабную инвентаризацию земель, выявить конкретные земельные участки, наиболее подходящие для сельского хозяйства. Вкупе с другими мерами это поможет выполнить задачу по увеличению производства и экспорта продукции АПК к 2024 году почти в два раза - до 45 млрд долларов.

1.2. Цель, задачи, методы исследования

Цель работы: Исследование зарастающих полей Орловской области.

Задачи:

Отобрать доступные картографические материалы и данные космической съемки на период зарастания сельскохозяйственных земель растительностью с максимально возможным использованием открытых данных дистанционного зондирования земли (ДЗЗ);

Найти по фотографиям из космоса заросшие поля Орловской области.

Выявить причины и продолжительность зарастания, в зависимости от времени, которое прошло с момента прекращения использования и наличие доступных космических снимков.

Рассчитать экономическую выгоду от устранения зарастания сельскохозяйственных земель Орловской области.

Объект исследования:Необрабатываемые сельскохозяйственные поля Орловской области.

Методы исследования:

Изучение и ретроспективный анализмультиспектральных снимков sentinel-2.

2. Теоретические сведения

2.1 Дистанционное зондирование – это метод получения информации об отдаленных объектах без прямого контакта с ними. Бесконтактная передача информации возможна благодаря естественно существующим или искусственно генерируемым силовым полям, которые распространяются между приемником излучений (чувствительным сенсором) и изучаемым объектом (целью). К основным используемым силовым полям относятся, электромагнитное излучение. При настройке приемника на определенные излучения на системе датчиков фиксируется, изображается состояние радиации, исходящей от объекта исследования, и такие изображения можно анализировать. Принцип дистанционного зондирования с использованием волн электромагнитного спектра проиллюстрирован на схеме 1. Энергия исходит из источника излучения. Пассивный (естественный) источник энергии – это Солнце. Активным источником энергии может быть лампа, лазер или микроволновый передатчик с его антенной. Радиация проникает через вакуум со скоростью света приблизительно в 300 000 км/с. Она достигает объекта, где взаимодействует с ним. Часть энергии отражается по направлению к приемнику. В приемнике, размещенном на специальной платформе, интенсивность поступающей радиации квантуется и запоминается. Значения запомненной энергии преобразуются в графические образы – изображение.

Схема1-Схемадистанционногозондирования

Впроцессепередачиизлученияотобъектакдатчику,происходитпоглощение и рассеяние излучения в атмосфере, что приводит к искажениюсигнала.Поэтомусуществуютразличныевидыобработкиданныхдистанционногозондированияпредназначенныедляснижениявлиянияатмосферына изображенияобъектовместности.

Электромагнитноеизлучение.Диапазоныэлектромагнитногоизлучения.Спектральныедиапазоны,используемыевдистанционномзондировании.

Вдистанционномзондированиииспользуютсянаиболееинформативныедиапазоныэлектромагнитногоизлучения:оптический(длинаволнλ =0,1 –1000мкм)ирадиодиапазон(λ более1мм).

Оптическийдиапазонделятнаобластии зоныспектра.

П рисъемкеземнойповерхности,какправило,регистрируетсяотраженноеотобъектовсолнечноеизлучение.Солнце–основнойестественныйисточник электромагнитногоизлучения.

Схема2-Диапазоныспектра

Оптический диапазон делится на: ультрафиолетовую (λ=0,10–0,40мкм),видимую(λ=0,40–0,75мкм)иинфракрасную(λ=0,75–1000мкм)области.

Ультрафиолетоваяиинфракраснаяобластиспектравсвоюочередьделятся на ближнюю, среднюю и дальнюю зоны. А видимая область делитсянасинюю,зеленую и краснуюзоны.

В качестве искусственных источников излучения используются лазерыирадары.

2.2. Методы исследования сельскохозяйственных земель

Для изучения сельскохозяйственных земель с помощью снимков можно использовать разные способы получения фотографий:

Изучение снимков заброшенных земель, полученных с помощью

квадрокоптеров.

Беспилотные технологии существуют давно. Сначала они были сложными и дорогостоящими комплексами, имевшими только военное применение. Но в течение последнего десятилетия в этой области произошел настоящий прорыв. Миниатюризация вычислительных систем и развитие спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС) позволили создавать беспилотные летательные аппараты (БПЛА), у которых габариты, масса, а главное, стоимость на порядки меньше прежних. По доступности беспилотные технологии приближаются к уровню бытовых технологий. Дроны оказывают существенную помощь в картографировании сельскохозяйственных угодий. Они обеспечивают качественное изображение, благодаря которому можно сделать выводы о текущем состоянии полей. С их помощью легче обследовать большие участки земли и измерять их площадь. Но использование беспилотников для решения задач поиска необрабатываемых земель, малорезультативно, поскольку позволяют получить ситуационный снимок в режиме близком к реальному времени и основную поставленную нами задачу не решат.

Изучение снимков заброшенных земель, полученных с помощью

фото- и/или видеосъемки из самолёта или планера возможно, но нами не рассматривается, так как, во-первых, получить разрешение на полёты у нас нет возможности, во-вторых, снимки будут носить ситуационный, а не ретроспективный характер.

Изучение снимков заброшенных сельскохозяйственных земель

Орловской области, полученных из космоса методом изучения и ретроспективного анализамультиспектральных снимков sentinel-2 нами рассматривается как самый результативный вариант решения поставленных задач.

Основные достоинства метода:

- большая производительность, т.к. измеряются не объекты, а их изображения;

- высокая точность благодаря применению точных аппаратов и инструментов для получения и измерения снимков, а также строгих способов обработки результатов измерений;

- полная объективность результатов измерений;

- измерения выполняются дистанционным методом, что имеет особое значение в условиях, когда объекты недоступны.

Фотограмметрия широко применяется для создания карт Земли, других планет и Луны, измерения геологических элементов залегания пород и документации горных выработок, изучения движения ледников и динамики таяния снежного покрова, определения лесотаксационных характеристик, исследования эрозии почв и наблюдения за изменениями растительного покрова, изучения морских волнений и течений и выполнения подводных съѐмок, изысканий, проектирования, возведения и эксплуатации инженерных сооружений, наблюдения за состоянием архитектурных ансамблей, зданий и памятников, определения в военном деле координат огневых позиций и целей и др.

Применение космических материалов в исследованиях почвенного покрова позволяет изучить структуру почвенного покрова и исследовать динамические свойства почвы, гумусность, влажность и других, включая развитие неблагоприятных процессов, таких, как засоление, эрозия. Растительность, образующая внешний покров земной поверхности, в первую очередь отражается на космических снимках. Именно она является индикатором при дешифрировании почвенного покрова, форм рельефа, подстилающих пород и отложений, грунтовых вод, засоления и т.д. Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования Земли. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Был выбран именно метод ДЗЗ при изучения сельскохозяйственных земель, потому что были важны сезонные и годовые изменения поверхности сельскохозяйственных земель.

При выполнении работы была использована спутниковая съемка sentinel- 2 методом временного ретроспективного анализа. Для работы над проектом был использован именно этот спутник, потому что новые снимки появляются достаточно часто. Так, снимок для Орловской области обновлялся почти каждые 7 дней. Еще одним полюсом являлось то, что данные снимки находились в открытом доступе и распространяются свободно. Также большим преимуществом sentinel- 2 является то, что он видит 12 спектральных каналов, спутник фиксирует невидимые глазу спектральные диапазоны, что в контексте распознавания зарастающих полей было достаточно важно.

2.3. Подбор картографических материалов и данных космической съемки

Наличие и возможность использования картографических материалов и данных космической съемки во многом определяют методологию и этапы работы по выявлению заброшенных сельскохозяйственных земель и возникших на них участков леса. Планированию работ нередко мешает укоренившийся (даже среди специалистов) миф о том, что на любую дату и любой регион имеется космическая съемка необходимого разрешения. Как показал наш опыт работы по многим проектам с привлечением данных ДЗЗ, наличие необходимой съемки в открытых (и даже коммерческих) архивах данных нередко можно считать удачей. Относительно гарантированное получение съемки с заданными параметрами возможно, как правило, через оперативный заказ новой съемки на конкретный регион у коммерческих операторов ДЗЗ. В результате критерии отбора материалов космической съемки пришлось изменить и использовать для проекта несколько типов данных. Для более точной привязки сельскохозяйственных земель была рассмотрена мультиспектральная съемка со спутника sentinel- 2 методом временного ретроспективного анализа. Как оказалось, большая часть территории Орловского района на этих сайтах покрыта съемкой сверхвысокого разрешения (2 м и лучше), что позволило отобрать ключевые участки заброшенных сельскохозяйственных земель с разной стадией зарастания.

3. Экспериментальная часть

3.1. Исследование зарастания сельскохозяйственных земель с помощью космических снимков

3.1.1 Поле 1

Изучая литературу и материалы по теме исследования, мы обнаружили статью на сайте Орел-регион от 26 ноября 2019 года. В статье написано: «ООО «АВАНГАРД-АГРО-ОРЕЛ» заплатит 200 тысяч рублей за заросшее поле».

Нарушения были обнаружены на территории Залегощенского района. Организация была оштрафована в соответствии с ч. 2 ст. 8.7 КоАП РФ.

Проанализировав территорию Залегощенского района, мы обнаружили несколько полей, за которые могла быть оштрафована данная организация.

На слайде представлено поле, которое больше всего подходит под описание.

Мы видим, что уже в 2016 году (рис. 1) большую часть поля занимают деревья, в 2018 году (рис. 2) ситуация не изменилась. На сверхдетальном снимке программы Google Earth 2019 года (рис. 3) мы видим за что оштрафовали организацию, но к 2021 году (рис. 4) проблему не решили, поле все также осталось заброшенным.

(Рис. 1) (Рис.2)

(Рис. 3) (Рис. 4)

3.1.2 Поле 2

Поле 2 находится в районе поселка Круглый Орловской области. На снимке мая 2013 года (рис. 5) мы видим, что поле находится в нормальном состоянии и ограничено лесопосадками. В 2017 году (рис. 6) поле не засаживалось, скорее всего оно было оставлено под пар. Потом мы видим, что с 2019 года (рис.7) поле перестают обрабатывать, оно начинает зарастать. Таким образом, к 2021 году (рис. 8) поле оказывается необработанным в течении трех сезонов. Одной из мер по борьбе с неиспользованием залежных земель является вступление в силу закона с 1 июля 2011 года, позволяющий государству изымать у юридических лиц и граждан земельные участки сельскохозяйственного назначения, которые не использовались или используются не подлежащим образом в течении трех и более лет. Такие поля нуждаются в наблюдении и, в случае дальнейшего неиспользования, принятии мер.

2017-05-20

2013-05

(Рис. 5) (Рис. 6)

2021-05-16

2019-05-17

(Рис. 7) (Рис. 8)

3.1.3 Поле 3

В районе деревни Миново Орловской области мы нашли поле, которое с 2013 (рис. 9) не подвергалось обработке. На высоко детальных снимках Sentinelhub мы четко видим, что поле начинает зарастать бурьяном. На протяжении 6 лет (рис. 10) поле совсем не обрабатывалось, если так будет продолжаться, это поле можно будет убрать из севооборота и отдать под лес, так как в Орловской области идет нехватка лесных ресурсов.

(Рис. 9) (Рис. 10)

3.1.4 Поле 4

Следующее поле, которое мы рассмотрим находится в Орловском районе д. Малая Фоминка Орловской области. В 2003 году (рис.11) видно, что поле было отдано под дачные участки, их было достаточно много, но к 2011 году

(рис. 12) от дачных участков ничего не осталось, поле осталось брошенным и заросло. В 2014 году (рис. 13) поле попытались восстановить, но дачных участков уже намного меньше, по сравнению с 2003 годом. В настоящее время (рис. 14) полем никто не занимается, на нем стоят три заброшенных участка, и оно медленно зарастает. Так как месторасположение довольно удачное для проживания, то данное поле можно было бы обустроить.

2011-07

2003-05

(Рис. 11) (Рис. 12)

2021-06

2014-05

(Рис. 13) (Рис. 14)

3.1.5 Поле 5

В районе деревни Паньково Орловской области находится наш следующий объект для изучения. На сверхдетальном снимке программы Google Earth 1985 (рис. 15) года поле используется на протяжении всех сезонов, можно было бы предположить, что в 2003 году поле оставили под пар, но в 2013 году мы видим уже лесную растительность, получается, что поле не использовали уже несколько сезонов. Последний снимок сделан в 2016 году, поэтому для определения состояния поля в данный момент мы перешли в программу Sentinel Hub, там отчетливо видно, что и в 2021 году полем никто не занимается, оно все также заброшенно.

2003-05

1985-12

(Рис. 15) (Рис. 16)

2016-08

2021-07-18

(Рис. 18) (Рис. 17)

3.1.6 Поле 6

Следующее поле находится между деревнями Ананьевка и Михайловка Орловской области. Снимок 2002 года (рис. 18) показывает нам, что поле используется и распахивается на протяжении всех сезонов, а в 2013 году поле заросло деревьями, это свидетельствует о том, что оно не использовалось уже несколько лет. Снимки 2015 (рис. 20) и 2021 (рис. 21) годов подтверждают это. Таким образом, поле не используется на протяжении 10 лет и является заросшим.

2013-06

2002-08

(Рис. 18) (Рис. 19)

2021-10-08

2015-10-05

(Рис. 20) (Рис. 21)

3.2 Распределение полей на группы

Поля, которые требуют дальнейшего наблюдения, они 3 года не возделывались, возможно были оставлены под пар, если так будет продолжаться, то поля прейдут в категорию залежей.

Вторая категория полей не обрабатывалась уже на протяжении нескольких лет, они уже считаются заросшими, и требуют административного вмешательства.

Этот тип полей был отдан под дачные участки, но не использовался в этих целях.

Оценка экономической выгоды от устранения зарастания сельскохозяйственных земель

Следующим шагом исследования является оценка экономической выгоды от устранения зарастания полей. В таблице 1 представлены затраты для подготовки поля к посеву.

Таблица 1. Затраты для подготовки поля к посеву

На основе проведенных расчетов получаем, что устранение зарастания поля и приобретение неободимого для посева сырья, с дальнейшим сбором составят 2 435 000 руб.

Для решения поставленной задачи была проведена экономическая оценка мероприятия с прогнозом на 5 лет. Данные представлены в таблице 2.

Таблица 2. Экономическая оценка эффективности устранения зарастания

3.4 Юридический аспект проблемы зарастания сельскохозяйственных полей Орловской области

Поводом для выбора темы исследования послужил случай административного вмешательства в мае 2021 года. Управлением Россельхознадзора по Орловской и Курской областям был проведен плановый (рейдовый) осмотр 10 земельных участков сельскохозяйственного назначения общей площадью 83,1 га, расположенных на территории Орловского и Колпнянского районов Орловской области. Собственником данных участков является ООО «Авангард-Агро-Орел».

В рамках осмотра установлено, что земли сельхозназначения по всей площади заросли сорной и древесно-кустарниковой растительностью, не используются для ведения сельскохозяйственного производства и на них не проводятся все необходимые агротехнические и агрохимические мероприятия.

По данным фактам, учитывая отягчающее обстоятельство — повторное совершение однотипного административного правонарушения, предприятие было привлечено к административной ответственности по ч. 2 ст. 8.7 КоАП РФ с назначением наказания в виде штрафа в размере 450 тыс. рублей.

Выводы

Нам удалось найти заросшие сельскохозяйственные поля Орловской области с помощью отобранных нами космических снимков, полученных методом дистанционного зондирования земли. Мы смогли выявить причины зарастания полей и распределили их на несколько групп. На примере Орловской области показаны масштабы зарастания сельскохозяйственных земель древесно-кустарниковой растительностью с середины 2000-х годов по настоящее время (2021 год). Космические снимки могут служить доказательством в судебных разбирательствах. В дальнейшем мы планируем продолжить работу по изучению дистанционного зондирования земли.

5. Глоссарий.

Залежь, залежи — сельскохозяйственные угодья, ранее использовавшиеся как пашня, но не используемые больше года, начиная с осени, под посев сельскохозяйственных культур и под пар.

Пар в земледелии — вспаханное поле, оставляемое на одно лето незасеянным.

6. Литература

1.https://wwf.ru/upload/iblock/708/02.pdf – электронный ресурс. 21.10.2021

2.http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_34661/4393efe0f2b0783bb33c94bee9e077be76cf22bd/ – электронный ресурс. 19.10.2021

3. Беляев В. В., Кононов О. Д., Карабан А. А., Старицын В. В. Состояние древесной растительности на землях, выбывших из сельскохозяйственного оборота в Архангельской области // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. 2019. № 2. С. 5–11. 20.10.2021

4. Оборот земель сельхозназначения – электронный ресурс. 19.10.2021

5. http://rshn-tver.ru/news/news-13555/ - электронный ресурс. 19.10.2021

6.https://regionorel.ru/novosti/incidents/ooo_avangard_agro_oryel_zaplatit_200_tysyach_rubley_za_zarosshee_pole/ 18.10.2021

7.https://regionorel.ru/novosti/incidents/ooo_avangard_agro_oryel_zaplatit_200_tysyach_rubley_za_zarosshee_pole/ 18.10.2021

8. https://agro-bursa.ru/prices/wheat/ 06.11.2021

9. Самсонов, Е. В. Способы расчистки сельскохозяйственных земель от лесной растительности / Е. В. Самсонов, Е. В. Жеряков, Н. А. Исакин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 9 (113). — С. 456-458. — URL: https://moluch.ru/archive/113/29288/ (дата обращения: 11.02.2022).

10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дистанционное_зондирование_Земли (дата обращения 14.03.2022г)