Содержание к диссертации
Введение
1. Классические и современные почвенно-географические атласы: Обзор литературы 8
1.1. Особенности современных атласов как произведений системного типа 8
1.2. Тематические почвенные атласы -анализ подходов и реализаций 12
1.3. Цифровые атласы, электронные карты, ГИС-атласы, Интернет-атласы, почвенные базы данных - сходства и отличия 15
1.4. Цифровое и традиционное почвенное картографирование. Анализ подходов 17
1.5. Комплектация тематических атласов: источники, топоосновы, вспомогательные карты, производные карты, описания и модели 22
1.6. Классификация объектов и построение легенд цифровых атласов 26
1.7. Назначение и применение почвенных атласов. Примеры реализаций 28
2. Характеристика объектов исследования 43
2.1. Природно-почвенное районирование Ростовской области 43
2.2. Антропогенно-временное районирование Ростовской области 49
2.3. Архивные почвенные карты среднего масштаба (область, район) 52
2.4. Архивные крупномасштабные почвенные карты и их легенды 55
2.5. Архивные почвенные очерки и точечные (профиль) данные почвенных обследований 60
2.6. Топографические основы, рельеф и вспомогательные карты 62
2.7. Интернет как источник актуальной пространственной информации 69
3. Методы исследования: сочетание цифровой почвенной картографии и традиционного почвенного картографирования 72
3.1. Иерархически-реляционная структура базы данных состава и свойств почв 72
3.2. Корреляция почвенно-генетических классификаций и формирование легенд почвенных карт 77
3.3. Теореференсирование (привязка) и коррекция архивных почвенных карт по цифровой модели рельефа 81
3.4. Векторизация почвенных контуров и разрезов 83
3.5. Методика формирования атрибутивной информации для точечных (разрез, проба, наблюдение) данных 86
3.6. Вариабельность почвенных свойств, континуально-дискретная природа почвы и их представление в почвенных картах 89
3.7. Обработка вспомогательных материалов (рельеф, метеоданные) , их растрирование и отображение на почвенных картах 94
3.8. Обоснование выбора места и проведение полевого почвенного обследования 97
3.9. Разработка информационно-вычислительной среды для создания и функционирования основных и вспомогательных картографических материалов с динамически модифицируемыми данными 101
4. Результаты и обсуждения 102
4.1. Структура цифрового атласа почв РО и характеристика объема работ 102
4.2. Исследования динамики гранулометрического состава почв РО 107
4.3. Анализ почвенной пестроты полей отдельных хозяйств РО 122
4.4. Обсуждение: пути и направления развития электронного атласа 127
Выводы 128
Список литературы 132
Официальные документы 132
Статьи, монографии, рефераты, диссертации, тезисы на русском языке 132
Литература на иностранном языке 137
Электронные и Интернет-ресурсы 140
Список опубликованных работ 141
- Цифровые атласы, электронные карты, ГИС-атласы, Интернет-атласы, почвенные базы данных - сходства и отличия
- Архивные почвенные карты среднего масштаба (область, район)
- Вариабельность почвенных свойств, континуально-дискретная природа почвы и их представление в почвенных картах
- Исследования динамики гранулометрического состава почв РО
Введение к работе
Актуальность темы.
Крупно- и среднемасштабное почвенное картографирование находит свое применение в разных областях, в том числе при решении задач почвенно-экологического и сельскохозяйственного мониторинга. Необходимым условием для мониторинговых исследований является наличие «точки отсчета» - данных прошлых почвенных обследований. Для Ростовской области особенно актуальна также история антропогенного воздействия на почвенный покров. Использование современных компьютерных, геоинформациионных и Интернет-технологий дает новые инструменты для накопления и обработки почвенных данных, а также открывает возможности подключения к анализу других природно-географических факторов (Шоба и др.,2010). Комплексный анализ разновременной, разномасштабной и разнородной природно-почвенной информации позволяет получать не только более объективную оценку процессов почвообразования, но и численные характеристики почв и почвенного покрова, необходимые для применения в практических целях (Introduction to the European Soil Database..., Environmental Geochemical Atlas of Central and Eastern England ... и др.). Разработка методов переведения архивных почвенных материалов в цифровой формат, формирование структур атрибутивных данных, обеспечивающих единое картографическое пространство региона, и создание моделей (алгоритмов) использования в исследованиях комплексной почвенно-географической информации являются основополагающими шагами в создании почвенного атласа регионального уровня. Представляется актуальным скорейшая разработка указанных методов на основе существующих почвенно-географических представлений и современных технологических достижений.
Цель работы: разработка концепции и практического алгоритма создания регионального почвенно-географического электронного атласа на примере Ростовской области (РО).
Задачи исследования:
-
Разработать концепцию, принципы построения и структуру электронного почвенного атласа регионального уровня, рассчитанного на широкий круг пользователей и решаемых задач.
-
Охарактеризовать состояние архивных материалов почвенных обследований и предложить для Ростовской области принципы перевода архивов в цифровую форму.
-
Разработать принципы формирования единого картографического пространства атласа с использованием методов классификационной генерализации, корреляции почвенных таксономических признаков и гармонизации атрибутивных данных.
-
Осуществить выборочный перевод в цифровую форму и включение в атлас материалов, характеризующих почвенный покров Ростовской области, в том числе архивов разномасштабных разновременных почвенных и других вспомогательных карт, описаний и аналитических данных почвенных разрезов для основных природно-почвенных зон РО.
-
Обосновать и разработать подходы и методы отражения структуры почвенного покрова в электронном атласе. Предложить и апробировать организацию вычислительного процесса, алгоритмов и структур данных в рамках традиционной парадигмы цифровой почвенной картографии.
-
Обосновать необходимость и разработать метод представления границ между почвенными контурами на карте в размытом виде, соответствующем постепенности переходов между почвами в природе.
-
Апробировать атлас в качестве инструмента решения мониторинговых, землеустроительных и учебных задач и предложить ряд подходов и алгоритмов решения этих задач.
Научная новизна исследований.
Впервые при крупномасштабном цифровом почвенном картографировании
принципы формирования единого картографического пространства применялись в объеме данных района (области).
Обоснована необходимость использования разномасштабных и разновременных почвенно-картографических материалов в качестве базы сравнения при решении мониторинговых задач.
Впервые разработаны и реализованы структуры данных, методы оцифровки архивных материалов и алгоритмы, обеспечивающие решение широкого спектра задач почвенно-экологического и сельскохозяйственного мониторинга.
Впервые осуществлена реализация электронного почвенного атласа регионального уровня в виде распределенного комплекса программных продуктов.
Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв и выявлена тенденция к сокращению доли легких (супеси и пески) почв на территории РО. Практическая значимость работы.
-
Внедрение цифровых методов анализа пространственной информации позволяет достичь значительного увеличения скорости и уменьшения стоимости почвенно-ландшафтного картографирования.
-
Почвенные карты и структурированная атрибутивная информация, разработанные в целом для Ростовской области по данным 1939 г., для Бело-Калитвенского района и ряда хозяйств основных природно-почвенных зон области поданным 1980-90 гг., выполняют функцию «точки отсчета» для решения мониторинговых задач.
-
Разработана методика анализа почвенной пестроты земельных участков на примере ОАО «Дружба», выявления полей внутрихозяйственного землеустройства, содержащих неоднородные участки и, соответственно, требующих раздельной кадастровой оценки.
-
Разработана методика исследования динамики гранулометрического состава почв, используя возможности электронного атласа. Выявлена тенденция к сокращению доли легких (супеси и пески) почв на территории Ростовской области.
-
Результаты работ внедрены в рамках научных, научно-практических и образовательных работ. Создан и регулярно пополняется электронный атлас почв РО, что расширяет познавательные возможности почвенно-ландшафтных исследований разномасштабной неоднородности почвенного покрова и его отдельных свойств. Применение методов для анализа и мониторинга зон загрязнения, обусловленных атмосферными выбросами Новочеркасской ГРЭС, позволило сформулировать перечень требований к точности и объему исходных данных и алгоритмов их преобразования. Включение в атлас данных экологического мониторинга видов растений и животных, занесенных в Красную Книгу Ростовской области, позволяет осуществлять исследования в смежных областях науки.
-
Разработаны спецкурсы «Базы атрибутивных данных почвенных свойств и процессов» и «ГИС: крупномасштабное почвенное картографирование», которые преподаются магистрам по направлению подготовки «021900 Почвоведение Магистерская программа М02190004-12-1-2 География и картография почв». Выполняемые в рамках магистерской подготовки проекты пополняют базу данных (БД) «SoilMatrix» и атлас почв РО.
Защищаемые положения
-
Разномасштабные и разновременные почвенные карты могут быть синтезированы в единое картографическое пространство регионального почвенно-географического атласа путём картографической генерализации, классификационной корреляции и гармонизации атрибутивных данных.
-
Основой легенды для электронного почвенно-географического атласа является структура связанных таблиц по каждому таксономическому признаку отдельно, и принцип представления комбинаций почв (комплексов и сочетаний) в виде весовых коэффициентов отдельных таксономических признаков, что позволяет трансформировать качественные
5 данные традиционных почвенных карт в полуколичественные и количественные данные и получать числовые оценки почвенных свойств. Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на Всероссийской (9-й) 2007 г., и Международной (10-й) 2010 г. суперкомпьютерной конференциях «Научный сервис в сети Интернет», на 6 Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (доклады на симпозиуме по информационным ресурсам в почвоведении и секции по картографии почв). Сделан доклад по теме работы на постоянно действующем семинаре по ЦПК и педометрике в ГНУ Почвенный институт им. В.В.Докучаева Россельхозакадемии и на заседании кафедры Географии почв Факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в полевых исследованиях, в отборе и анализе проб, разработке структур данных и программного обеспечения, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, оцифровке и картировании 30 % объема атласа почв РО, разработке методов представления атрибутивной информации и алгоритмов пространственного анализа, участии в составлении корреляции почвенных классификаций.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 20 работ, включая 7 статей в журналах из списка ВАК; получено 3 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ, разработано и размещено в Интернет 4 электронных интерактивных учебных пособия.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность за неоценимую помощь в работе над диссертацией научному руководителю - д.б.н., заведующему кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета B.C. Крыщенко, и д.б.н., профессору О.С.Безугловой.
Автор благодарит за помощь в проведении исследований, консультации по методам директора ФГУ ГЦАС «Ростовский», д.б.н., проф., О.Г. Назаренко, директора ООО «Южгипрозем» Е.М. Цвылева.
Автор благодарит сотрудников ГИВЦ Минсельхоза РФ и сотрудников центров агрохимической службы Ростовской области за предоставленные архивные материалы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы, приложений, изложена на 150 страницах машинописного текста. Содержит 17 таблиц, 86 рисунков и фотографий. Список литературы включает 160 наименований, в том числе 50 иностранных источников. Приложение содержит диск с первой версией электронного атласа. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Цифровые атласы, электронные карты, ГИС-атласы, Интернет-атласы, почвенные базы данных - сходства и отличия
Достаточно четко определена роль предварительного камерального периода в сборе всей имеющейся на момент составления информации, включая архивные материалы и современные топографические основы. Описаны ситуации, при которых необходима корректировка почвенных карт. Так, подлежат корректировке (Методические указания..., 2003, 2010, Концепция..., 2010): - материалы, составленные 15 лет назад и более; - материалы любого срока обследования, если основой для составления почвенной карты служил контурный план землепользования; - материалы по содержанию доброкачественные, но в которых границы обследования не совпадают с современными границами землепользования или в последние три - пять лет произошли существенные внутрихозяйственные трансформации угодий. - И Друї ие... Следует отметить, что в документах Минсельхоза и Минэкономразвития в качестве причин для корректировки не называется устаревание топографической основы картографируемой территории. А в этом вопросе (Константинов, 2006, 2007, Леонов В.И., Неумывакин Ю.К., 2007, Киселев, 2009) по мнению основных поставщиков крупномасштабных картографических основ для почвенного картографирования, -организаций ВИСХАГИ и Госземкадастрсъемка, - ситуация на данный момент катастрофическая:
1. С 90-х, а во многих случаях и с 80-х, планы масштабов 1:10000 и 1:25000 для целей землеустройства, земельного кадастра и мониторинга земель, производства ВИСХАГИ, не обновляются и не создаются заново. Они устарели и неактуальны, через несколько лет говорить об их обновлении будет бессмысленно, так как обновлять будет нечего. Заменить их тоже нечем, что естественно скажется на качестве и землеустройства и земельного кадастра в целом. Кроме того, отсутствие данных материалов ведёт к увеличению затрат при землеустроительных работах, что в первую очередь ложится дополнительными затратами на землепользователей.
2. Планы устарели морально, нормативно-техническая документация не соответствует духу времени, не отражает развитие землеустройства на данный момент и не соответствует уровню научно-технического прогресса (современным требованиям, предъявляемым к цифровой картографической продукции и геопространственным данным).
Наметившаяся в последние десятилетия тенденция к включению карт агроэкологического мониторинга в состав почвенно-географических атласов (Строганова, 2011, Герасимова, 2010, Национальный атлас..., 2011, Ивлев и др., 2004, Крыщенко и др., 2008, Агроэкологическое состояние..., 2008, Биоклиматический потенциал..., 2007), позволяет взглянуть на категорию «современность» атласов с несколько другой стороны. При наличии согласования (сопоставимых легенд, обозначений, количественных характеристик и т.п.) включенные в атлас данные многолетних наблюдений со временем не только не устаревают, а, напротив, увеличивают свою ценность.
Еще одной системообразующей характеристикой атласа является соответствие формы и содержания, оформление и доступность атласа. Уже в 2002 году (Сваткова, 2002) указывалось, что при разработке оформления атласа в целом, его разделов и отдельных карт возможны два способа издания: полиграфический или компьютерный. Оба способа имеют свои преимущества и ограничения. В полиграфии достаточно четко отработаны стандарты. Компьютерное оформление — более свободное, но ряд традиционных картографических приемов трудно соблюсти (например, постепенное утолщение линий, плавность кривых линий, размещение подписей объектов и др.). Поскольку атлас оформляется как целостное произведение, необходимо учитывать и целый ряд технологических особенностей. Например, размер типографских листов и компьютерные возможности.
Ещё раньше, в 1999 году был издан «ГОСТ 28441-99 Картография цифровая. Термины и определения», в котором, в частности, определялись термины: электронный атлас: Система электронных карт, созданных по единой программе как целостное произведение с единой библиотекой условных знаков. система электронных карт: Совокупность электронных карт, объединенная общим замыслом, упорядоченная и согласованная по масштабам, системам координат, проекциям, содержанию и условным знакам, создаваемая по единым требованиям.
В почвенно-экологическом картографировании компьютеризация несколько запаздывала. Так в 2003 году (Методические указания...) электронная картография не упомянута вообще, зато встречаются рекомендации вида:
«Картографическую основу для районной картограммы монтируют путем наклейки на плотную бумагу уменьшенных планов землепользования в границах района».
В целом, в многолетней истории атласной картографии подчеркивается обобщающая, долговременная роль атласа и включение экспертных знаний. Особое внимание уделяется согласованности структурных элементов атласа как системы. Согласованное составление карт тематического атласа очень многогранно. Используются разные приемы, и список их постоянно расширяется. Конкретные действия устанавливаются в процессе работы над атласом. Некоторые основные формы согласования элементов атласа приведены (Сваткова, 2002) ниже:
В конце данной главы приводится предлагаемый список дополнительных форм согласования современных электронных атласов - раздел 1.7.
Некоторое отставание в почвенной картографии от других направлений тематической картографии в последнее время существенно сократилось. Так, были изданы фундаментальные атласы, как почвенные в первую очередь, так и содержащие почвенные карты различной направленности: Национальный атлас России (2004 , т. 1, 2007 , т.2); Атлас почв Азербайджана, Экологический атлас Азербайджана (Azerbaijan Republic Ecological Atlas..., 2010; Почвенный атлас Азербайджана...,2007; Бабаев и др., 2012); Национальный атлас почв Российской Федерации, 2011.
В Почвенном институте имени В.В. Докучаева продолжается многолетняя работа по созданию и корректировке Государственной почвенной карты (ГПК 1:1 000 000), которая до сих пор остается главной картой России в информационном, концептуальном и методологическом планах (Рухович, 2012, Герасимова, 2010).
Это позволяет провести анализ тематических (комплексных) атласов по трем моментам: методологический, методический и карто графический.
Эти моменты нашли свое отражение в классической монографии, выпущенной под научным руководством профессора И.П. Заруцкой (Комплексные региональные атласы, 1976), детализированы в монографии (Сваткова, 2002), и далее уже для почвенной картографии подробно раскрыты в работах (Строганова, 2011, Герасимова, 2010, и др.).
Методологический принцип — выработка взгляда на предмет картографирования. Для карт атласа необходим единый или хорошо согласованный взгляд на взаимосвязанные компоненты природы и жизни общества. Выработать такой взгляд достаточно трудно. Во-первых, отраслевые науки пользуются своей системой оценки явлений. Во-вторых, степень изученности отдельных явлений и развитие соответствующих направлений картографирования различны. Но именно научная обоснованность и продуманность общих методологических установок определяют фундаментальность атласа. Это передается на картах системой понятий, разработкой классификаций и подбором оптимальных показателей.
Архивные почвенные карты среднего масштаба (область, район)
Исследованию почв Ростовской области и сопряженных территорий за последние сто с лишним лет уделялось много внимания -рис. 21. Выделяют (Безуглова и др., 2008) додокучаевский (1773-1878), докучаевский (1878-1900) и последокучаевские периоды в истории изучения почв Нижнего Дона и Северного Кавказа. Известны фундаментальные труды профессора СА. Захарова — 4-томная моноірафия о почвах Ростовской области (1940 г) и почвенная карта Ростовской области масштаба 1:500 000 (1939). В послевоенный период интенсивные исследования продолжались, что обусловлено ценными агропромышленными характеристиками региона и значительными геофизическими антропогенными преобразованиями. Так, территория Ростовской области была включена в первые листы Государственной почвенной карты (ГПК) СССР масштаба 1:1000 000, юг Ростовской области является модельным регионом для федеральной целевой комплексной программы по мониторингу земель сельхозназначения, работы по восстановлению ГПК в Почвенном институте им. В.В. Докучаева также начались с этого региона (Рухович, 2012).
В состав рассматриваемого в данной работе атласа (Электронное приложение) включены текстовые и иллюстративные материалы, характеризующие особенности почвообразования и характеристики природных условий региона. Эти материалы в основном взяты из современных монографий «Почвы Ростовской области» (Безуглова и др., 2008), и «Матричные закономерности в топографии почв» (B.C. Крыщенко,2008), в которых содержится также полный обзор работ в данном направлении. Для анализа картографических источников важную роль играет географическое районирование территории Ростовской области. Понятно, что природные районы не ограничиваются административными границами области, однако в настоящей работе карты и схемы районирования приведены в этих границах.
Разнообразие природных условий региона обусловило разные подходы к выделению природно-почвенных районов. Так в работе (Безуглова, 2008) Ростовская область представлена тремя почвенными зонами - степной зоной (умеренная теплая Восточно-Европейская фация теплых промерзающих почв- Южно-Русская провинция и теплая Южно-Европейская фация теплых кратковременно промерзающих почв - Предкавказская провинция), сухостепной зоной (Донская и Восточно-Предкавказская провинции фации теплых кратковременно промерзающих почв) и небольшим массивом полупустынной зоны (Прикаспийской провинции фации теплых промерзающих почв) - рис. 22. Точками на схеме показаны обеспеченные крупномасштабными почвенными картами хозяйства (см. раздел 2.4). Отметим, что для каждой из почвенных зон и фаций имеется хоть одна почвенная крупномасштабная карта.
В этой же работе представлена схема геоморфологического районирования Ростовской области, состоящая из 8 районов (рис. 23). При таком методе районирования не обеспечен крупномасштабными картами только район 5 - Доно-Егорлыкская аккумулятивная равнина. Отметим, что именно этот район детально картографирован в аналогичной работе (см. ссылку ГИС «Почвы России»). Аккумуляти вно-денудацио иная равнина Доно-Сальского водораздела Донецкий кряж Доно-Донецкая эрозионная равнина Доно-Егорлькская аккумулятивная равнина Севвро-Лриаэовская эроэионно-аккумулятивная равнина аллювиально-аккумулятивная равнина Нижнего Дона денудационно-эрозионная равнина Сало-Манычского водораздела озерно-аллювиальная и морская аккумулятивная равнины долины Мэныней Приведенная в работе карта климатического районирования Ростовской области на данный момент может рассматриваться только в историческом аспекте. В работе (Биоклиматический потенциал России..., 2007) приводится обоснование необходимости ведения динамических объединенных баз данных климата, почв и сельского хозяйства в условиях изменяющегося климата, и приводятся примеры картографирования динамики природно-сельскохозяйственного районирования.
Вопросы вертикальной зональности почв, зависимость зональности почв от топографии, вопросы почвенной пестроты на уровне типа-подтипа почвы рассмотрены в монографии «Матричные закономерности в топографии почв» (B.C. Крыщенко и др.,2008). На рис. 24 представлена схема почвенно-географических районов и подрайонов РО с учетом топографии почв. Проведен анализ дренажно-балочной сети, выделены районы представляющие наибольший интерес - «узлы противоборства» соседних провинций, одним из которых является стык Донецкого, Доно-Донецкого и Доно-Чирского районов (Белокалитвенский район, почвенные карты которого подробно анализируются в настоящем атласе). Всего в монографии выделено 11 районов, содержащих 32 подрайона. Также в работе представлен обзор подходов других авторов к почвенно-географическому районированию Ростовской области, (таблица 3), в том числе и с учетом антропогенных факторов и бонитета почв.
Вариабельность почвенных свойств, континуально-дискретная природа почвы и их представление в почвенных картах
Иными словами, отчеты задают границы антропогенно-временного районирования 1111.
Объектом исследований являются 129 отчетов, выполненных в 1955-1995 годах организацией, называемой в разные периоды как - РосГИПРОЗЕМ -Управление Землеустройства, ЮжГИПРОЗем, ЮжНИИГипрозем, ООО «Южгипрозем».
В таблице 4 приложений приведена сводная таблица, в которой указаны наименование хозяйства, год составления отчета, количество страниц в отчете. В некоторых случаях между составлением почвенной карты и изданием очерка проходит до 30 лет, если СПП не менялась, почвенная карта не пересоставлялась, а выполнялись только дополнительные разрезы. В основном же очерк следует за почвенной картой через 1-2 года, т.е., время необходимое для выполнения лабораторных анализов почвенных образцов, обсчет результатов и подведение итогов почвенного обследования.
В приложении к почвенному очерку обычно содержится экспликация почв -расширенная легенду почвенной карты, ведомость результатов химического анализа по генетическим горизонтам для обозначенных на карте разрезов (включая % гумуса), и ведомость результатов механического анализа (включая- гигроскопическую влажность) по генетическим горизонтам разрезов. Если разрезы выполнялись с перерывом в несколько лет, то для каждого разреза на почвенной карте и в очерке указывается год выполнения разреза.
Объектом настоящего исследования являются географически привязанные разрезы и некоторые данные механического анализа почвенных проб по генетическим горизонтам. Если данные разреза помещены в очерке, но их нет на карте, или если не определен год взятия образца, или не определен горизонт или глубина взятия образца, то такие разрезы из рассмотрения исключались. В очерках в разделе отчетов об объеме проделанной работы обычно сообщалось о нескольких сотнях образцов, из которых для лабораторного анализа отбиралось несколько десятков. В таблице 5 помещены данные по количеству принятых к рассмотрению географически привязанных объектов для электронных почвенных карт хозяйств Белокалитвенского района Ростовской области. В нижней строке приведены итоговые данные. Для общей площади Белокалитвенского района в 267 476 га векторизованными картами покрыто 258 800 га или 96%. Земли поселений, гослесфонда и другие территории не оцифровывались и в анализе не представлены. Фактически, 16 хозяйств занимали почти всю территорию района. Белокалитвенского района Ростовской области. Белокалитвенский район Ростовской области. Площадь Общая: 267476 Га,Почвенных контуров: 258800 Га хозяйств: 16 контуров разрезов полей: 220 14 42 Колхоз ВосходКолхоз Путь ИльичаКолхоз им. ЩаденкоКолхоз Красное знамяКолхоз им 60-летия ОктябряКолхоз им. ЛенинаКолхоз КраснодонецкийКолхоз РассветКолхоз ДружбаКолхоз МирКолхоз ПобедаКолхоз ДонецКолхоз им. ДзержинскогоКолхоз им. ЧапаеваКолхоз ЗаряКолхоз Советская Россия 149 49 67 142 39 98 173 45 100 138 43 188 168 46 70 223 46 89 220 35 67 138 41 74 131 74 80 135 42 73 130 42 52 147 43 55 141 38 66 214 76 87 224 97 64 2693 770 1272 В терминах цифровой картографии (ГОСТ 28441-99 ...) почвенные контуры и земельные участки являются площадньгми объектами (метрическое описание которых представлено последовательностью координат точек его замкнутого контура), тогда как разрез является точечным объектом. Есть, правда, одна особенность: метрическое описание почвенного образца представляет собой не только координату точки, но и глубину его относительно поверхности. То есть объектом исследования являются данные механического анализа образца, для которого определены географические координаты, глубина и дата (год) взятия образца.
В архивных материалах разрезы, как правило, являлись характеристическими для некоторого почвенного контура или найменованім почвы. В цифровом почвенном картографировании, а также в различных методиках почвенного опробования (Методические указания...,2003; Бирин, 2009) разрезы закладываются по регулярной сетке, случайно, или по другим схемам, привязанным к границам полей, кадастровых участков и других организационно-хозяйственных площадных объектов. В настоящей работе разрез рассматривается как самостоятельная информационная единица, которая может лежать в границах различных площадных объектов, заданных в различные моменты истории этих объектов.
Для уточнения методики цифрового почвенного картографирования и анализа динамики почвенных свойств в настоящей работе были выполнены автором работы почвенные обследования в октябре 2011 года в границах шести хозяйств Белокалитвенского района. Было заложено 10 разрезов, получено 50 почвенных проб. Координаты разрезов и данные лабораторных анализов также являются объектами исследования в настоящей работе. 2.6. Топографические основы, рельеф и вспомогательные карты
Одним из важнейших факторов почвообразования является рельеф местности. Напомним, что в методиках почвенного картографирования не допускается составление почвенных карт на основе контурных планов, но требуется наличие качественной топографической основы. В этой роли могут выступать топографические карты местности, дешифрированные материалы аэрофотосъемки, космоснимки, данные геодезических измерений и цифровые модели рельефа (модели высот), ЦМР.
В традиционной почвенной картографии использование топографической основы обеспечивало «согласованность» почвенных выделов и структурных элементов рельефа местности с точки зрения специалиста-почвоведа. В цифровой картографии множество работ посвящено автоматическому выделению элементов рельефа и привязке к ним границ ЭПА (а чаще границ распространения отдельного свойства почвы) (Козлов, 2012, Савин, 2012...). Но кроме этих первоочередных задач ЦМР активно используется также и для построения математических моделей, например, расчет водного баланса, анализ суммарной инсоляции, подверженность ветровой эрозии и т.п., по производным от ЦМР расчетным данным экспозиции, уклона, вторым производным (перегиб склона) и т.п. Поэтому требования к качеству ЦМР предъявляются высокие, и в ряде работ приведен анализ и сравнение между собой полученных различными способами ЦМР (Jarvis et al., 2008; Рухович, 2012).
В обоих обзорах авторы сравнивают ЦМР, полученную «отмывкой рельефа» из топографической карты (ТОРО), и полученную радарной съемкой в результате 11-дневного залета космического корабля «Эндэвор» в 2000 году (SRTM). Отмывка рельефа -стандартная операция в ГИС, при которой бумажная топографическая карта оцифровывается, изолинии высот векторизуются, и далее, либо с помощью регулярной сетки, либо с помощью триангуляции формируется цифровая модель высот.
Второй вариант стал возможен после передачи в свободный доступ данных радарной съемки для полосы между 60 градусом северной и южной широты по всей окружности Земли с шагом в 1 угловую секунду (для территорий вне США обычно затрублены до 3"). Сырые данные были обработаны алгоритмами сглаживания, сшивки без швов, заполнением пропусков, после чего собраны в пакеты (матрицы) размером 5x5 градусов в следующем формате: Здесь указаны количество строк и столбцов, координаты северо-западного угла 40 В.Д, 45 С.Ш., угловой размер ячейки в 1/1200 градуса (3"), и значение для ячеек с неопределенными данными.
Исследования динамики гранулометрического состава почв РО
Большое внимание, уделяемое растровым операциям, объясняется высокой степенью их применимости при использовании различных вспомогательных карт, имеющих растровую природу. В представленном атласе содержится цифровая модель высот всей Ростовской области, из которой легко получить такую же модель для любого её участка. Для расчетов румба экспозиции склона или степени его наклона, для расчетов зон водосборных бассейнов или тальвегов используются именно растровые модели. Алгоритмы расчета известны давно и подробно описаны в работах (Сорокина, 2003; Козлов, 2009) и учебных пособиях (Крыщенко и др., 2011).
В атласе также рассматриваются климатические модели. Так, сеть метеостанций и пунктов метеонаблюдений на территории области может быть представлена на карте своими географическими координатами в виде точек. В этом случае для каждой такой точки значение ячейки растра приравнивается значению какого-либо фактора метеонаблюдения на данный момент времени (например, температуре приземного воздуха или миллиметрам выпавших за период осадков). Для вычисления значений всех остальных ячеек растра может быть применен какой-либо типичный интерполяционный метод, например, триангуляция или метод обратных взвешенных расстояний (ОВР). Ниже приводится формула ОВР, широко применяемая в пространственном анализе. где Pi - находимое значение в точке i; Pj - значение в узле интерполяции j; Dij -расстояние между і-той и j-той точками; G - количество узлов интерполяции; п - степень, в которую возводятся расстояния Dij. Значение п, фактически, определяет, насколько влияет расположение j-тых точек на прогнозируемое значение Pi в точке і. По мере того, как п увеличивается, область влияния уменьшается до тех пор, пока в пределе не станет окрестностью точки і, из любой точки которой до і ближе, чем до любой из точек j. Когда п принимается равным нулю, метод становится идентичен обыкновенному нахождению среднего арифметического рассматриваемых величин.
Этот метод основан на предположении, что чем ближе друг к другу находятся исходные точки, тем ближе их значения по какому-либо фактору, - одной из основных гипотез географии. Модификации метода для нескольких факторов, для учета (вычитания) трендов поверхности известны под названием кригинга, ко-кригинга, и широко применяются в цифровой почвенной картографии (Alex. В. McBratney..., 2003).
Результаты применения метода в модели загрязнения почв, обусловленной промышленными атмосферными выбросами, и в методе анализа встречаемости видов растений и животных, занесенных в Красную книгу Ростовской области, приведены в следующей главе. Сами по себе эти методы известны достаточно давно (Рожков, 2007; Методические рекомендации..., 1987; ОНД 86 РД 52.04.212-86...) и нашли свое отражение в методиках и специализированном программном обеспечении (УПРЗА «Эколог» - модуль "Средние", УПРЗА «Призма», Информационная система «Кедр» - наиболее известны).
В данной работе подчеркивается техническая возможность реализации этих методов в виде моделей, оперирующих со слоями (картами) атласа, и целесообразность включения этих моделей в атлас с целью получения синтетических карт, содержащих качественно новые географические данные.
Специфической особенностью именно электронных атласов является возможность проведения сравнительно-географического анализа и мгновенного количественного расчета площадных показателей. Для векторных слоев, содержащих замкнутые контуры в какой-либо из проекций, величина его площади является автоматически рассчитываемым атрибутом. Сравнительно-географический анализ можно проводить путем наложения векторных и растровых слоев в любых комбинациях с регулируемой прозрачностью. Более того, можно получить новый растровый или векторный слой путем обрезки исходного слоя по маске некоторого контура из другого слоя. Необходимым условием для этого является приведение всех слоев к одной проекции.
После оцифровки и векторизации почвенных карт Ростовской области появилась возможность сравнения количественных площадных характеристик с такими же характеристиками, но полученными из других источников. Так по данным статуправления общая площадь территории Ростовской области составляет 10097 тыс. га, по данным почвенной карты РО 1975 г. - 10107 тыс. га , (расхождение 0.1%). Площадь, рассчитанная по карте С.А. Захарова 1939 года, отличается на 1% (9966 тыс. га) за счет того, что территория Цимлянского водохранилища в нее не включена, а с этой территорией площадь составит 10066 тыс. га, что дает расхождение в 0.3% с данными статуправления. Погрешностями такого порядка можно пренебречь.
Несколько иная картина с почвенными картами хозяйств. К каждой почвенной карте прилагается экспликация (последняя колонка на рис. 26), содержащая суммарную площадь каждой почвы из легенды. После проведения векторизации почвенных карт хозяйств Белокалитвенского района Ростовской области при расчете площадей была отмечена интересная тенденция. Так для колхоза «Победа» общая площадь земель хозяйства по экспликации составляла 10762 га, площадь почв балок (по местной классификации) - 729 га, площадь обнажений рыхлых и плотных пород - 107 га.
При расчетах по геореференсированной почвенной карте площади составили 11006, 662, и 81 га соответственно. Причем расхождение в 2% общей площади может объясняться наличием на карте двух карьеров, границы которых вызывали сомнения, и площади которых и составляют недостающие (относительно расчетов в ГИС) 250 га. Однако для почв балок и обнажений пород мы видим наоборот превышение данных экспликации хозяйства в 10% для почв балок и 30% для обнажений рыхлых и плотных пород. Поскольку эти неудобья составляют суммарно менее 10 % от площади хозяйства, и представляют собой сложной формы малые контуры, можно было бы предположить, что картографы следовали правилам отрисовки характерных элементов почвенного покрова, что допускает увеличение ширины контура до 1-1.5 мм на карте (Герасимова, 2010). Но в этом случае при векторизации карты мы получили бы контуры площади большей, чем есть на самом деле. Цифры говорят об обратном.
Тенденцию завышения площадей почв балок, обнажений рыхлых и плотных пород на территориях с высоким процентом площади обрабатываемых земель в 80-х годах прошлого века можно было объяснить особенностями ведения планового хозяйства. Та же тенденция в настоящем может объясняться оптимизацией налогообложения. В докладе на 6 съезде общества почвоведов (Рухович, 2012) указывались также другие причины расхождения цифр: распахивание склонов балок, лесополос, ветровая и водная эрозия. Необходимость проверки качества привязки и векторизации и исследование причин расхождения показателей площади явилась первой причиной выбора данной местности для полевого обследования.
В состав атласа входят почвенные карты среднего масштаба 1939 и 1975 годов, а также карты крупного масштаба 1980-1990 годов (таблица 4). Для проведения сравнительно-географического анализа гранулометрического состава в историческом мониторинговом аспекте было необходимо произвести сопоставление классификаций. Поскольку масштабы карт разные, была проведена классификационная генерализация. Названия почв по ГМС на карте 1975 года представлены в таблице 8а, а на карте 1939 года в таблице 86. Названия почв по ГМС для крупномасштабных карт приведены в таблице 76. При генерализации было выделено два названия почв: легкие (супеси и пески) и тяжелые (глины и суглинки). Более подробную классификацию ввести не представлялось возможным по причине несовместимости названий.
