Актуальність теми. Останніми роками все більше дослідників звертаються до питання оновлення методичної бази ґрунтової картографії. Сорокіна Н.П., Канівець В.І., Канаш О.П., Сімакова М.С. акцентують увагу на необхідності оновлення методичної бази ґрунтово-картографічних досліджень, як актуальної проблеми, що давно назріла. Тихоненко Д.Г. зазначає, що традиційні методи картографічного відображення ґрунтів з використанням досвіду ґрунтознавця-картографа не відповідають сучасним вимогам і завданням ґрунтової картографії.

Методиці традиційної картографії ґрунтів характерна значна суб'єктивність і низький рівень відтворення, оскільки точність меж картографічних виділів цілком залежить від досвіду і уявлень про географію ґрунтів конкретного ґрунтознавця. Використання матеріалів дистанційних зйомок робить процес картографування ґрунтів більш об'єктивним і технологічним.

Ґрунтові карти України різних масштабів, які було створено на основі великомасштабного ґрунтового обстеження в 1957-1961 рр., істотно застаріли і багато з них несуть низькоякісну інформацію з таких причин:

1) давність складення ґрунтових карт;

2) матеріали опрацьовано за відсутності топографічних карт або аерофотознімків;

3) відбулась зміна ґрунтового покриву через його корінну меліорацію або інтенсивні прояви процесів ерозії тощо;

4) зміни меж землекористування і ін. Таким чином, матеріали великомасштабних обстежень ґрунтів колишніх колгоспів і радгоспів не відповідають сучасним вимогам агрогосподарювання та охороні ґрунтового покриву через низьку якість обліково-паперової системи зберігання, втрату інформації. У зв`язку з тим, що ґрунтовий покрив зони Полісся, порівняно з іншими, відрізняється найбільш вираженою складністю, недоліки при виділенні картографічних ґрунтових одиниць були надто суттєві. На сьогодні ми маємо можливість використати більш сучасні методи, наприклад, багатоспектрального космічного сканування високої роздільної здатності та їх інтерпретації в географічній інформаційній системі (ГІС).

Сучасні дистанційні методи досліджень дозволяють оперативно отримувати достовірну інформацію в цифровому вигляді, охоплюючи значні території. Але для отримання коректної геопросторової інформації про ґрунтовий покрив необхідно провести підпольотні обстеження досліджуваних територій. Тобто, дистанційні методи не замінюють традиційні, а доповнюють, спрощують та виводять процес картографії на високу якість та кількісну основу інтерпретації даних.

Найбільш широко матеріали космічної зйомки використовувались в ґрунтовій картографії при розробці середньо - та дрібномасштабних ґрунтових карт. Прогресивний розвиток дистанційних методів (ДМ), геоінформаційних технологій, сучасної комп'ютерної техніки зробив принципово можливим використання космічної інформації для створення електронних ґрунтових карт.

Основними тенденціями розвитку ДМ у ґрунтознавстві в даний час є розробка комп'ютерних методів дешифрування і картографування ґрунтів, а також інтеграція ДМ у якості одного з блоків інформаційного забезпечення ґрунтових геоінформаційних систем. Більшість геоінформаційних систем містять програмне забезпечення для комп'ютерної обробки ДМ, а також відкривають широкі можливості для реалізації алгоритмів обробки зображень, розроблених користувачем.

Застосування багатоспектрального космічного сканування має ряд переваг перед іншими методами дистанційного зондування. Однією з них є можливість періодичного отримання космічного зображення. Це дає підстави для вивчення просторово-часової динаміки земельних ресурсів та структури ґрунтового покриву. Проте надійна система методів, які можуть картографічно забезпечити результати моніторингу ґрунтів, на сьогодні фактично відсутня. Традиційні методи картографування дозволяють встановити в кращому випадку лише якісні зміни ґрунтового покриву, в той час як кількісна оцінка його залишається дещо осторонь. Виходячи з вищеозначеного, наші дослідження спрямовано, головним чином, на виведення вітчизняної ґрунтової картографії на сучасний рівень шляхом застосування новітніх технологій (багатоспектрального космічного сканування, геоінформаційних систем, GPS-технологій). В цьому і полягає актуальність досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною тематики сектору дистанційного зондування ґрунтового покриву Національного наукового центру "Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського" УААН: "Розробити кількісну оцінку, діагностику і систему моніторингу ерозійно небезпечних ґрунтів на основі дистанційних методів досліджень" в рамках науково-технічної програми "Родючість та охорона ґрунтів" на 2001-2005 рр. (Державний реєстраційний номер 0101U006046). Результати досліджень використано в сумісній науково-дослідній роботі з Міністерством освіти та науки України за темою "Сучасна методологія кількісного картографування ґрунтів" (Державний реєстраційний номер 0607/00175 Ф7/354-2001).

Мета і завдання дослідження. Головна мета досліджень - вивчення можливостей використання багатоспектрального космічного сканування (БСКС) для створення електронних ґрунтових карт зони Полісся і застосування ДМ в ґрунтовому моніторингу.

Відповідно до мети вирішувались такі задачі:

- виявлення закономірностей впливу складу ґрунтів Полісся (вміст гумусу, окислів заліза, гранулометричний склад та ін.) на яскравість багатоспектрального космічного зображення;

- розробка математичних моделей, придатних для індикації складу ґрунтів за яскравістю зображення;

космічне сканування ґрунтова карта

- опрацювання та розробка методики електронного картографування ґрунтів Полісся з використанням даних БСКС на незайнятих рослинністю полях.

Об'єкт дослідження - процес використання багатоспектрального космічного сканування та геоінформаційних систем у вивченні ґрунтового покриву Полісся України.

Предмет дослідження - закономірності впливу окремих показників складу і властивостей ґрунтів Полісся на яскравість багатоспектрального космічного сканування та алгоритм створення електронних ґрунтових карт на базі ГІС-технологій.

Методи дослідження. Польові дослідження (ґрунтове обстеження, відбір зразків з поверхні ґрунту, закладання ґрунтових розрізів, відбір зразків в ґрунтовому профілі, привязка всіх полігонів, місць відбору зразків та закладання розрізів до географічної системи координат); лабораторно-аналітичні дослідження (визначення вмісту гумусу, рухомих форм заліза, гранулометричного складу, кислотності тощо), камеральні дослідження (дешифрування космічних зображень, побудова цифрових моделей рельєфу, отримання математичних моделей, розробка електронних ґрунтових карт та картограм). Методику проведення досліджень детально описано у відповідному розділі автореферату.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше на основі застосування сучасних методів (дистанційного зондування (ДЗ), геоінформаційних систем (ГІС), приладів глобального позиціонування (GPS)) розроблено алгоритм створення електронних ґрунтових карт і удосконалено методику великомасштабного картографування ґрунтового покриву Полісся, що підтверджено деклараційним патентом (№UA 12599 G01N 33/24; B61C 15/00; G03B 37/00; G01V 8/00, 2006).

2. Розроблені картографічні матеріали базуються не тільки на якісній, як це існувало традиційно, а й на кількісній інформації.

3. Вперше розроблено математичні моделі, які відображають закономірності взаємозвязку яскравостей багатоспектрального космічного сканування (БСКС) з основними складовими ґрунтів Поліської зони (вмістом гумусу, гранулометричним складом, рухомими формами заліза тощо) та параметрами рельєфу.

4. На основі запропонованих математичних моделей побудовано електронні картограми вмісту окремих ґрунтових показників зони Полісся. Побудову сучасних електронних ґрунтових карт та картограм складових ґрунту адаптовано до новітніх комп`ютерних технологій.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновану методику ґрунтового картографування на базі дистанційного зондування рекомендовано включити в практику великомасштабного ґрунтового обстеження.

2. Розроблені ландшафтно-індикаційні моделі на основі цифрових моделей рельєфу (ЦМР), багатоспектрального сканування та лабораторно-аналітичних досліджень запропоновано для використання в системі моніторингу ґрунтів Полісся, зокрема для виявлення деградаційних процесів (дегуміфікація, опіщанення, ерозія, вторинне заболочування, озалізнення тощо).

3. Сучасні методи досліджень дозволяють отримувати кінцеві продукти наукової діяльності значно точнішими та економічно вигіднішими.

Особистий внесок здобувача. Роботу виконано в секторі дистанційного зондування ґрунтового покриву Національного наукового центру "Інститут ґрунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського" в 2001-2005 рр. під керівництвом кандидата с. - г. наук А.В. Шатохіна та професора, доктора с. - г. наук, член-кореспондента УААН С.Ю. Булигіна.

Автор особисто брав участь в польових та лабораторно-аналітичних дослідженнях 2001-2004 рр. Автором розроблено та апробовано методику великомасштабного ґрунтового картографування на основі дистанційного зондування, яка започаткована А.В. Шатохіним. Як результат реалізації запропонованої методики, автором за допомогою ГІС-технологій отримано нові ґрунтові карти великих масштабів (1: 10000 та 1: 25000) для окремих господарств Поліської зони. Проведення камеральних досліджень (дешифрування космічних знімків, побудова цифрових моделі рельєфу, статистична обробка даних, отримання ґрунтових карт та картограм) виконано особисто автором. Окремі види аналізів за робочою програмою сектору виконано в атестованій та сертифікованій лабораторії інструментальних методів аналізу ННЦ ІГА УААН. Переважну частину теоретичних та експериментальних робіт, результати яких опубліковано протягом всього періоду досліджень, виконано і оброблено особисто автором.

Автором опрацьовано літературні джерела щодо теми дисертаційної роботи, проаналізовано та теоретично обґрунтовано матеріали дисертації, на основі яких зроблено певні висновки. У дисертації автором використано зі спільних наукових праць власні ідеї і розробки.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи представлено в збірнику статей до VI зїзду УТГА (1-5 липня 2002 р., м. Умань) та в збірнику наукових праць, що представлено на конференції, присвяченій 10-річчю кафедри ґрунтознавства і географії ґрунтів Львівського національного університету ім.І. Франка (м. Львів, 2003 р.). Матеріали роботи опубліковано і доповідались автором на Всеукраїнській науково-практичній конференції "Стан земельних ресурсів в Україні: проблеми, шляхи вирішення", яка відбулась 29-30 вересня 2001 року в Харкові, на міжнародній конференції, присвяченій 120-м роковинам "Русского чернозёма" та експедицій В.В. Докучаєва (м. Харків, 2003), на науковій регіональній нараді "Можливості дистанційного зондування Землі та геоінформаційних технологій у вирішенні проблем Полісся" (м. Луцьк, 2002 р.), на міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 70-річчю кафедри ґрунтознавства БГУ (м. Мінськ, 2003 р.).

Крім вищеназваних конференцій, тези доповідей автора опубліковано в збірниках до II науково-практичної конференції "Применение GPS в Украине", яка відбулась 13-14 червня 2002 р. в Національному аерокосмічному університеті ім. Н.Є. Жуковського "ХАІ" (м. Харків); збірнику наукових праць міжнародної наукової конференції "Сучасні проблеми і тенденції розвитку ґрунтознавства", яка проходила 27-28 травня 2005 року в Чернівецькому національному університеті ім.Ю. Федьковича.

Публікації. За результатами роботи надруковано 25 наукових праць, у тому числі 10 статей у фахових виданнях, 7 тез доповідей, запропоновано 1 завершену розробку для виробництва, розроблено 2 методичні рекомендації, отримано деклараційний патент на корисну модель.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, рекомендацій виробництву, списку літератури, який налічує 262 найменування, з них 28 робіт іноземних авторів. Викладена на 260 сторінках формату А4, в тому числі 155 сторінок текстової частини, містить 3 таблиці, 4 рисунки і 69 додатків.

Основний зміст роботи

Стан та перспективи застосування космічних знімків у вивченні грунтового покриву (літературний огляд)

У даному розділі приводиться детальний аналіз літературних джерел. Висвітлено стан питання як у вітчизняному, так і в зарубіжному ґрунтознавстві. На основі запропонованих науковцями різних країн розробок висуваються ідеї та гіпотези даної дисертаційної роботи. Підкреслюються переваги дистанційних методів зондування перед традиційними. Висвітлюються прийоми обробки космічної зйомки за допомогою GPS - та ГІС-технологій. Наводиться порівняльний аналіз різних методів ґрунтового картографування як із застосуванням дистанційного зондування, так і традиційним способом. У літературному огляді аналізуються можливості космічної зйомки в дрібно-, середньо- та великомасштабному картографуванні. Також наведено перелік агрозаходів та галузей агропромислового комплексу, в яких світова спільнота використовує методи дистанційного зондування.

Обґрунтовано необхідність застосування багатоспектрального космічного сканування та геоінформаційних систем у сучасному ґрунтовому картографуванні та в ґрунтовому моніторингу в цілому.

Обєкти, умови і зміст досліджень

Дослідження проводились з 2001 по 2005 роки. На підставі аналізу архівних матеріалів ґрунтових обстежень визначено окремі полігони в двох районах Житомирської області (Житомирський та Черняхівський) з типовими для Полісся ґрунтами. На полігонах закладено і описано близько 100 ґрунтових розрізів та прикопок, що характеризують найбільш поширені в даних районах ґрунти. За тоном космічного зображення дерново-підзолисті зв'язно-піщані ґрунти на флювіогляціальних пісках відрізняються майже білим кольором; темно-сірі опідзолені ґрунти - інтенсивно сірим; а блюдця, заповнені водою, дешифруються чорним кольором. Ґрунтовий покрив полігонів здебільшого представлений дерново-підзолистими, ясно-сірими, сірими, темно-сірими опідзоленими, лучними, підзолисто-дерновими, дерновими опідзоленими ґрунтами різного ступеня оглеєності переважно легкосуглинкового, середньосуглинкового та супіщаного складу. В блюдцях поширені болотні та лучно-болотні ґрунти.

Перед нами стояла задача - з`ясувати, наскільки ефективним може бути застосування методів дистанційного зондування для ідентифікації надзвичайно строкатого ґрунтового покриву Полісся. Поставлена задача вирішувалась шляхом проведення сучасних польових, лабораторно-аналітичних та камеральних досліджень. При цьому було враховано, що обстеження земельних ресурсів на сучасному етапі і в перспективі, окрім задач, які ставилися перед минулим обстеженням, повинні вирішити більш широке коло проблем у галузі раціонального землекористування і охорони земель. Це, в свою чергу, вимагало розробки нових підходів і методології ґрунтово-картографічних робіт, що нами було виконано і лягло в основу даної дисертаційної роботи.

Методика проведення досліджень та її обґрунтування

Передпольова підготовка. Дослідження проводились на окремих полях Житомирського Полісся, які є контрастними за структурою ґрунтового покриву, і тим самим вони сильно різняться між собою на космічному зображенні. Це дало підставу для використання ДДЗ при розробці нової методики ґрунтового картографування.

Перш за все було проаналізовано дані наземних і архівних лабораторних досліджень (нариси районів з детальним описом ґрунтового покриву), фондові матеріали ґрунтових обстежень (топографічні карти, плани землеустрою, ґрунтові карти). Використовуючи архівну інформацію, дослідження спрямовано на розробку сучасної методології ґрунтового картографування на базі новітніх технологій, а саме: дистанційного зондування Землі (ДЗЗ), глобальних систем позиціонування (GPS), і географічних інформаційних систем (ГІС). У ході картографування пріоритет віддавали використанню космічних знімків високої роздільної здатності, які отримано з космічних апаратів (КА) детального спостереження. Сканери таких космічних апаратів проводять зйомку в оптичному та ближньому інфрачервоному діапазонах, реалізуючи принцип щілинної зйомки, і забезпечують одержання зображень з високими вимірювальними й зображувальними властивостями. Середній рівень детальності отриманих зображень складає від 10 до 30 м, при цьому смуга охоплення становить від 70 до 183 км. Крім того, орбіта цих космічних апаратів забезпечує можливість повторних спостережень ділянок земної поверхні за аналогічних умов освітленості. Це дозволяє одержувати повторну геовідеоінформацію для підвищення якості і точності процедури картографування та дослідження змін ґрунтового покриву в динаміці. Зрозуміло, що оптимальний сезон зйомки саме ґрунтової поверхні обмежується розвитком рослинності, інтегроване зображення якої ускладнює пряму дистанційну індикацію оптичних властивостей ґрунту, та періодом року, коли ґрунтова поверхня найвірогідніше перебуває у повітряно-сухому стані, тобто вологість ґрунту не перевищує 12%. Тому терміни весняної зйомки залежать від регіональних особливостей прояву таких природних процесів як сніготанення і весняне просихання ґрунту, масової вегетації рослинності. Для України, що характеризується високим рівнем сільськогосподарського освоєння, процес масової вегетації рослинності пов'язаний, насамперед, з вирощуванням сільськогосподарських культур. Восени сприятливі умови для дистанційного зондування ґрунтового покриву складаються після зяблевої оранки (орієнтовно кінець серпня, вересень). Тому в нашому випадку використовувались дані багатоспектрального сканування супутника SPOT (космічну зйомку проведено 22.08.1995 р. за трьома каналами при довжинах хвиль, мкм:

1) 0,50-0,59;

2) 0,61-0,68,3) 0,79-0,89, коли ґрунт знаходився в наближенні до повітряно-сухого стану (роздільна здатність зйомки - 20 м). Розмір кадру зйомки 6060 км. На рис.1 а) наведено фрагмент космічного знімка в ближньому інфрачервоному (ІЧ) - діапазоні, б) - фрагмент ґрунтового плану (1957-1961 рр. обстеження) цього ж поля, взятий з фондових матеріалів науково-дослідного та проектного Інституту землеустрою. Обидва фрагменти зведено до одного масштабу 1: 25000 засобами ГІС. Вже на стадії візуального дешифрування було очевидно, що межі ареалів істотно різняться. Даний факт дає підстави досліднику провести нове ґрунтове картографування.

Після візуального дешифрування та суміщення одних і тих самих об`єктів на різних матеріалах здійснюється наступний етап - географічна прив`язка різних прошарків інформації в ГІС. Географічна прив'язка знімків є надто відповідальною процедурою, якій ми надавали особливу увагу. Вона полягає у визначенні координат опорних (орієнтуючих) точок. В якості опорних точок можуть використовуватись контурні точки будь-яких природних та антропогенних утворень, які мають контрастні (відносно оточення) характеристики та запам'ятовуються індивідуальною геометрією, що дозволяє легко розпізнавати їх на космічних зображеннях. По-перше, таким умовам відповідають вершини кутів різких поворотів меж будь-яких контрастних об'єктів: берегових ліній, озер, водоймищ, лісових масивів тощо. По-друге, позначеним умовам задовольняють також точки перетину лінійних об'єктів: елементів дорожньої мережі, річкових закрутів, устя рік, перетини доріг (якщо кути перетинів складають від 30 до 150°), каналів, пункти тріангуляції, старі розпізнавальні знаки, поворотні ділянки шосейних і залізничних доріг, великі мости через ріки, окремі кути низьких будівель, високовольтні опори і т.п. Треба враховувати, що опорні точки не повинні розміщатися близько до країв знімку. Координати опорних точок знімаються з топографічної основи на досліджувану територію і переносяться до цих самих точок на інших прошарках в ГІС. Прив'язка знімків вважається закінченою, якщо достовірно визначено і встановлено географічні координати мінімум за п'ятьма точками кожного знімка (чотири в кутах і одна - в центрі). За таким самим принципом відбувалась географічна прив`язка решти прошарків інформації в ГІС.

При дешифруванні космічних знімків надзвичайно важливого значення надано визначенню індексу вегетації. Дослідники вивчали комбінації спектрометричних вимірювань для кількісної оцінки рослинності та ґрунтів. За даними багатьох літературних джерел, для дистанційної індикації рослинності чи фітомаси запропоновано великий набір різноманітних зональних відношень (Виноградов Б.В., 1984; Дэйвис Ш. М., 1983). Формула для визначення коефіцієнту складного зонального відношення Q (або вегетаційного індексу) виглядає таким чином: Q = (сл₁ - сл₂) / (сл₁ + сл₂), де сл₁ - значення яскравості у ближньому інфрачервоному діапазоні спектру;

сл₂ - значення яскравості у червоній частині спектру.

Розрахунок вегетаційного індексу проводили в автоматичному режимі з використанням ГІС. Результатом цієї процедури було визначення полів, які характеризуються мінімальними значеннями Q (від'ємне значення) в кожному пікселі растрового зображення, тобто не були закриті рослинністю під час космічної зйомки.

У межах вільних від рослинності полів ми обирали полігони для досліджень. Для нас важливим було обрати найбільш контрастні за своїм світлотоном на космічному зображенні полігони. Координати місць, що контрастують між собою (тобто цікавлять з наукової точки зору), нами було введено в прилад GPS для подальших ґрунтових польових обстежень.

Нарешті, останній етап передпольових досліджень - проведення числової таксономії оптичних яскравостей території полів-полігонів. З цією метою застосовано методи кластерного аналізу. В результаті автоматизованого розрахунку в ГІС визначаються інтервали оптичних яскравостей в якості таксонів, на основі яких створено картосхеми території полів-полігонів. Для цього використовували можливості статистико-математичного програмного забезпечення та існуючих ГІС.

Польові дослідження. Польові ґрунтові обстеження проводились в 2001-2003 рр. на декількох полях, не зайнятих на момент космічної зйомки сільськогосподарськими культурами. Під час польових досліджень обрані полігони в натурі відшукувались за допомогою приладу GPS. На визначених точках, координати яких заздалегідь занесено в GPS, закладались ґрунтові розрізи та відбирались зразки з поверхні ґрунту. Місця відбору ґрунтових зразків і закладення ґрунтових розрізів прив'язано за допомогою приладу глобального позиціонування GPS Garmin-12 до системи географічних координат WGS-84. Повторну географічну прив`язку здійснено під час знаходження безпосередньо на обраному полігоні. Опорні точки, які обрано на передпольовому етапі досліджень, необхідно наново прив`язати до географічної сітки координат приладом GPS в натурі, а не за допомогою координатної сітки топографічної основи, як це було виконано на попередньому етапі. Тепер всі картографічні матеріали та космічні знімки в обов`язковому порядку прив`язували до нового варіанту координат (причому в одній і тій самій системі). Інакше розбіжності можуть мати суттєві наслідки у вигляді просторових помилок на карті. Місця відбору зразків та закладки ґрунтових розрізів фіксували GPSом заново. Нову прив`язку в ГІС можна виконувати і під час наступних камеральних досліджень, залишивши дані з географічними координатами в пам`яті приладу GPS.

У подальшому ґрунтове обстеження полів-полігонів здійснювали за традиційною схемою. Згідно встановлених правил вівся польовий журнал, в якому ретельно описано розрізи, прикопки, напів`ями, місцевість, рельєф, поверхню ґрунту, рослинність тощо. При цьому закладався такий маршрут обстеження, щоб на кожній ділянці виділеного на знімку ареалу з визначеним інтервалом яскравостей було закладено не менш одного ґрунтового розрізу для детальної характеристики вертикальної будови ґрунту. Після чого здійснювався морфологічний опис ґрунтових розрізів за існуючою класифікацією (Полупан Н.И. и др., 1981) та відбирались ґрунтові зразки суцільною колонкою через кожні 10 см до ґрунтотворної породи з урахуванням меж генетичних горизонтів. Таким чином нами визначався генетичний статус ґрунту, покладений на кількісну основу, виходячи з аналітичних даних та математичної обробки (Полупан М.І. та ін., 2005). Основні ґрунтові профілі розкривали всю систему ґрунтових горизонтів і верхню частину ґрунтотворної породи. Глибина виявилась достатньо різноманітною, подекуди досягала 1,6 м і більше; проте були обмеження, які викликані заляганням щільних порід чи високим рівнем підгрунтових вод, тому середня глибина шурфів не перевищувала 1,0 м. Польовий опис ґрунтів за традиційною схемою носить здебільшого якісний характер, а тому допускає високу імовірність суб'єктивізму, який значною мірою обумовлений кваліфікацією і досвідом ґрунтознавця. У зв'язку з цим, відбір зразків саме суцільною колонкою ми вважаємо за один із запобіжників суб`єктивізму в ході традиційної польової зйомки. При цьому ми уникали відбору зразка ґрунту, в який попадають різні генетичні горизонти. Якщо під час польової зйомки проведений в передпольовому дослідженні кластерний аналіз викликав сумнів, то закладались додаткові напів'ями з прикопками. В разі невідповідності попередньої картосхеми результатам польової зйомки здійснювалось необхідне коригування.

Польові дослідження проводились в два етапи. Другий етап був присвячений відбору зразків з поверхні ґрунту для верифікації отриманих під час камеральних досліджень математичних моделей. Зразки з визначених заздалегідь на космічному знімку точок відбирались знову ж таки на контрастних за світлотоном місцях, але на інших полях, що не були охоплені польовими дослідженнями першого етапу. Всі поля (першого і другого етапів) знаходились в межах одного космічного зображення і не були вкриті рослинністю під час зйомки.

Лабораторно-аналітичні та камеральні дослідження. Проведення лабораторно-аналітичних досліджень полягало в наступному. У відібраних під час польових досліджень зразках визначали вміст гумусу за ДСТУ 4289: 2004, увібраних основ за МВВ 31-497058-007-2005, суму вмісту катіонів у водній витяжці (натрію та калію - ГОСТ 26427-85, кальцію та магнію - ГОСТ 26428-85, форми кислотності (актуальної за ГОСТ 26423-85 та обмінної за ГОСТ 26483-85, гідролітичної за ГОСТ 26212-91), гранулометричний склад за МВВ 31-497058-010-2005 та вміст рухомих форм заліза за ГОСТ 27395-87. В процесі виконання лабораторних аналізів, окрім ГОСТів, користувались посібником Арінушкіної Є.В. (1970). У ході камеральних досліджень за допомогою ГІС TNT-lite з відповідних космічних зображень, які являються прошарками інформації в ГІС, знято значення яскравостей (від 0 до 255) у трьох діапазонах електромагнітного спектру. Перед цим обов`язковою є процедура переприв'язки всіх інформаційних прошарків в ГІС до нових, отриманих під час польових досліджень, координат. Нарешті, найголовнішим новітнім надбанням наших досліджень є створення за допомогою тієї ж самої ГІС цифрових моделей рельєфу (ЦМР) на досліджувану територію та отримання з ЦМР необхідної інформації щодо геоморфологічних показників полігонів в кожному пікселі растрового зображення. Сьогодні ЦМР будуються в автоматичному режимі на базі дігіталізованої топографічної основи за допомогою програмних засобів ГІС. Голдою Я.В. і Ковалишин Д.І. (1992) ЦМР застосовувалась здебільшого з метою розрахунку талого та дощового стоків. В ході досліджень ЦМР використовується не тільки під час моніторингу ерозійно небезпечних ґрунтів (Тімченко Д.О., Трускавецький С.Р. та ін., 2005), а й при будь-якому ґрунтовому картографуванні (Трускавецький С.Р., 2003; Гічка М.М., Трускавецький С.Р., 2003). В геоінформаційній системі дані про експозицію, крутизну схилу, висоту над рівнем моря тощо знімаються з цифрової моделі рельєфу в автоматичному режимі, мають континуальний характер та подаються у вигляді окремих растрових електронних картограм. Треба відзначити, що ця процедура не замінює польове дослідження ґрунтів, а значно і обґрунтовано його спрощує. Необхідність застосування морфометричного аналізу зумовлена тим, що з використанням ЦМР значно легше коригувати архівні карти великих масштабів.

На основі цифрових моделей рельєфу, даних лабораторно-аналітичних досліджень та дешифрування космічних зображень визначали вплив ґрунтових показників на параметри багатоспектрального космічного сканування. Встановлені взаємозв`язки надають можливість вивести певні закономірності у вигляді ландшафтно-індикаційних моделей. Моделі будували суто на кількісній інформації, а тому вони виступають в якості коректного і значимого критерію ідентифікації ґрунтового покриву. Для складного за структурою ґрунтового покриву Полісся це має дуже важливе значення.

І нарешті, за наявності декількох прошарків кількісної інформації в ГІС, а саме: ЦМР, даних космічної зйомки, відкоригованої в польових дослідженнях попередньої електронної ґрунтової карти, інших архівних картографічних матеріалів, ландшафтно-індикаційних зв`язків на досліджувану територію та побудованих на їх основі картограм, можна приступити до заключного коректування ґрунтових електронних карт, які носитимуть кількісний характер, тобто позбавлені суб`єктивізму.

За результатами досліджень алгоритм сучасного великомасштабного ґрунтового картографування для регіону Полісся виглядатиме в загальних рисах так:

1) підготовка картографічних матеріалів для польового обстеження;

2) створення окремих прошарків інформації в ГІС:

дані багатоспектрального космічного сканування високої роздільної здатності;

топографічні карти масштабів 1: 10000 - 1: 50000;

ґрунтові карти;

плани землеустрою тощо;

3) визначення незайнятих під час зйомки рослинністю полів;

4) співставлення фрагментів відкритої поверхні ґрунтів на космічних зображеннях з фондовими картографічними матеріалами;

5) проведення кластерного аналізу в ГІС на досліджувані поля з метою отримання попередніх електронних ґрунтових карт;

6) польове обстеження ґрунтів:

"переприв'язка" на місцевості;

традиційна ґрунтова зйомка з точною прив'язкою приладом GPS;

7) лабораторно-аналітичні та камеральні дослідження, включаючи побудову ЦМР;

8) розробка ландшафтно-індикаційних моделей на основі статистичного аналізу даних польових і аналітичних робіт та даних БСКС;

9) побудова електронних картограм параметрів ґрунту на основі встановлених ландшафтно-індикаційних моделей;

10) створення нових електронних ґрунтових карт на основі яскравості зображення, цифрових моделей рельєфу і даних аналітичних досліджень ґрунтів;

11) математична верифікація моделей, карт і картограм.

Додамо до цього, що використання поновлюваної інформації БСКС за цим алгоритмом дозволить проводити моніторинг зміни ґрунтів та стану земельних ресурсів у часовому вимірі.

У даному розділі дисертації викладено основні положення методики проведення великомасштабних досліджень та ґрунтового картографування з застосуванням новітніх технологій. Вищезазначені підходи нами запропоновано впровадити в практику сучасного великомасштабного обстеження ґрунтів України.

Взаємозв`язок між окремими ґрунтовими показниками та яскравістю космічного зображення в різних діапазонах ХВИЛЬ

Окремі компоненти структури ґрунтового покриву отримують самостійне відображення та створюють своєрідний малюнок космічного зображення завдяки різній спектральній відбивній здатності їхньої поверхні (Симакова М.С., 1988). Вивчення спектральної відбивної здатності має важливе значення як для вирішення теоретичних питань класифікації та генезису ґрунтів, так і для практичних польових досліджень - морфологічної характеристики ґрунтів, діагностики і бонітування, вивчення хімічних властивостей, оцінки водного, теплового та повітряного режимів (Заварзина А.Г. та ін., 1995, Глазовская М.А., 1972). Забарвлення ґрунтів тісно пов`язане зі складом та властивостями їх органічної речовини. Згідно з Виноградовим Б.В. (1988)"гумусовий" моніторинг повинний базуватися, насамперед, на дослідженні зв'язку між оптичними властивостями ґрунтів і вмістом у них гумусу й створенням відповідного банку даних для різних грунтово-географічних районів країни. Не дивлячись на значні досягнення в розробці цієї проблеми (Караванова Е.И. та ін., 1996; Шатохін А.В., 1998), вона далека від остаточного вирішення. Особливо це стосується пошуку зв'язку між вмістом у ґрунтах гумусу, інших інгредієнтів і яскравістю багатозональної космічної інформації.

Тон фотозображення ґрунтів на аерофотоматеріалах визначається відбивною здатністю ґрунтів. Загальна відбивна здатність ґрунтів залежить від їх мінералогічного і органічного складу. Так, гумусні речовини і Fe₂O₃ знижують загальну яскравість ґрунтів. Тому чорноземи, через значний вміст гумусу, зображуються темними тонами, а солончаки, завдяки великій кількості хлоридів, сульфатів або карбонатів - світлими. Відбивна здатність, а отже, і тон космічного зображення ґрунтів знаходяться, як відомо, в залежності від загального напрямку процесів ґрунтоутворення. Високодисперсні речовини, що накопичуються, впливають на яскравість ґрунтів енергійніше, ніж ті, які вилуговуються (Карманов И.И., 1974; Зонн С.В., 1982). Нами встановлено, що на спектральну яскравість поліських ґрунтів впливає в основному вміст Fe₂O₃, вміст і якісний склад гумусу. Так, Fe₂O₃ ґрунту обумовлює максимальну яскравість в червоній зоні спектра, гумус знижує спектральну яскравість, але гумус з переважанням фульвокислот підвищує яскравість в червоній зоні спектра. Вологість ґрунтів при розпізнаванні їх за матеріалами космічної зйомки великого діагностичного значення при дешифруванні не має. Але треба мати на увазі, що тон фотозображення мокрих об'єктів в 2-3 рази темніший за тон фотозображення сухих об'єктів (Афанасьева Т.В., 1990).

За допомогою пакету прикладних програм Statistica нами проведено математичну обробку даних. Метою цих досліджень було: виявлення тісноти парного взаємозв'язку між всіма показниками, визначення впливу ґрунтових показників на дані дистанційного зондування, побудова математичних моделей, що описують взаємозв'язок між найбільш тіснозв'язаними параметрами та вихідні з даних моделей висновки щодо створення електронних картограм.

Першим етапом статистичної обробки даних виступав метод парної кореляції. Отримана нами кореляційна матриця показала, що між вмістом заліза та яскравостями космічного зображення встановлено досить високі коефіцієнти кореляції r=-0,82; r=-0,83; r=-0,85 відповідно з 1-м, 2-м, та 3-м каналами супутника SPOT.

Традиційно встановлено тісний зв'язок між вмістом гумусу та яскравостями: r=-0,86; r=-0,88; r=-0,90. Про високі коефіцієнти кореляції між такими ґрунтовими показниками як вміст гумусу та фізичної глини і даними дистанційного зондування вже давно відомо і багато описано в літературі, тому нас зацікавили величини коефіцієнтів кореляції суто для поліських ґрунтів. Що стосується гранулометричного складу ґрунту, то, як і слід було очікувати, між фізичною глиною та яскравостями існує зв'язок із знаком "мінус" (як і для гумусу) за високих коефіцієнтів кореляції: r=-0,82; r=-0,83; r=-0,84, що вказує на зворотній взаємозв'язок між цими параметрами. Протилежна ситуація склалась з 1-ою фракцією гранулометричного складу (пісок): коефіцієнти кореляції r=0,86; r=0,84; r=0,81 мають знак "плюс", що є цілком логічним - із збільшенням вмісту піску збільшується відбивна здатність ґрунту, а відповідно і яскравості багатоспектрального космічного сканування. В даному випадку цікавим є те, що коефіцієнт кореляції виявився вищим між першим каналом і піском, аніж між третім каналом і піском, чого не спостерігалось у випадку з вмістом гумусу та фізичної глини. З усіх фракцій гранулометричного складу найбільші коефіцієнти кореляції з яскравостями космічного зображення мають: перша (вміст часточок 0,25-1 мм), третя (вміст часточок 0,01-0,05 мм) та шоста (вміст часточок менших 0,001 мм). Тому в подальших дослідженнях при побудові математичних моделей ми використовували саме ці фракції, решта фракцій при обробці не враховувалась. Як і слід було очікувати, спостерігається досить висока кореляція між вмістом гумусу та вмістом заліза r=0,80, причому, знак - додатній. Такий же самий коефіцієнт кореляції існує для гумусу і фізичної глини. Нами вивчено ще один показник, що відображає геоморфологічні властивості полігону, а саме, висота над рівнем моря (SURF), яку отримано за допомогою цифрової моделі рельєфу (ЦМР). Даний показник не має істотного впливу на яскравості космічного зображення чи на вміст заліза при побудові математичних моделей, за виключенням лише деяких випадків. Хоча парні коефіцієнти кореляції між висотою та яскравостями, вмістом заліза, гумусу - досить високі (0,69; 0,71; 0,74; 0,75; 0,77 відповідно).

Другим етапом статистичної обробки даних було виявлення нелінійних взаємозв'язків, побудова нелінійних математичних моделей і на їх основі - графіків функцій. Як відомо з літературних джерел, найбільший вплив на яскравість космічного зображення (Я1, Я2, Я3) мають вміст гумусу (Н) та фізичної глини (ФГ). В нашому випадку (для ґрунтів Полісся), окрім цих показників, впливають вміст заліза (Fe) та першої фракції гранулометричного складу - крупного піску (ГС1).

а) б)

Рис. 1. Вплив на перший діапазон БСКС (в у. о.): а) гумусу (в %); б) фізичної глини (в %)

Нелінійна залежність яскравостей космічного зображення від вмісту гумусу, та фізичної глини носить експоненціальний характер і описується функціями, графіки яких наведено на рис.1. Наводимо для прикладу залежності лише одного з діапазонів багатоспектрального космічного сканування. Проте, перша фракція гранулометричного складу (крупний пісок) впливає на яскравості дещо іншим чином. Хоча взаємозв'язок між даними показниками є нелінійним, але й не експоненціальним. Він описується логарифмічною функцією (рис. 2 а). При цьому найкращий взаємозв'язок з піском має перший канал супутникового сканування (r=0,86). Для вмісту заліза зворотня ситуація: експоненціальний характер і тісніший зв`язок саме з третім каналом (рис. 2 б).

а) б)

Рис. 2. а) Вплив першої фракції гранулометричного складу (в %) на 1-й діапазон БСКС (в у. о.); б) залежність яскравості 3-го каналу (в у. о.) від вмісту заліза (в мг/100 г ґрунту)

Нами вперше в Україні отримано нелінійні множинні моделі сумісного впливу вмісту гумусу та фізичної глини на яскравість космічної зйомки і на цій основі побудовано тривимірні графіки залежностей. Дані моделі вражають надзвичайно високими коефіцієнтами кореляції (r=0,97). Це ще раз доводить той факт, що гумус та фізична глина - найвпливовіші показники, що змінюють яскравість космічного зображення. Саме в ґрунтах Полісся, які в переважній більшості належать до легкого гранулометричного складу, міститься значна частина першої фракції гранулометричного складу (ГС1), тобто крупного піску. Як наслідок, наші дослідження доводять факт сильного впливу (r=0,97) саме цієї фракції разом з гумусом на яскравість космічного зображення, що демонструє тривимірний графік функції. Між самими ґрунтовими показниками нами також виявлено нелінійні залежності.

Якщо розглядати комплексний вплив вмісту гумусу та вмісту заліза на яскравості космічного зображення, то можна дійти висновку, що нелінійної залежності між ними не існує. Тому наступним, третім, етапом досліджень був метод множинної покрокової лінійної регресії. Отримані моделі відображають сумісний вплив гумусу та заліза на параметри багатоспектрального сканування за коефіцієнтів кореляції від 0,89 до 0,93. Коефіцієнти кореляції істотно зростають, якщо вивчати сумісний вплив гумусу та першої фракції гранулометричного складу. Дані моделі доводять більший вплив першої фракції гранулометричного складу на яскравість, ніж фізичної глини, для поліських ґрунтів. Додаткові математичні розрахунки дали підстави стверджувати, що на всі діапазони багатоспектрального сканування найвагоміше впливають вміст гумусу, піску та заліза.

На заключному етапі статистично-математичної обробки доцільно перейти до визначення вмісту гумусу, заліза та першої фракції гранулометричного складу як до основних чинників забарвлення космічного зображення ґрунтів поліської зони без рослинного покриву. В ході численних математичних перетворень ми отримали ландшафтно-індикаційні моделі зв`язку зазначених ґрунтових параметрів з даними космічної зйомки, на основі яких побудовано електронні картограми вмісту цих параметрів:

Н=5,37+0,09*Я1-0,05*Я2-0,1*Я3r=0,91

ГС1=-45,38+1,59*Я1-0,79*Я2-0,25*Я3r=0,89

Fe=222,53+1,04*Я1-0,16*Я2-2,62*Я3r=0,85

Підсумовуючи даний розділ, звертаємо увагу на такі основні положення, що випливають з результатів досліджень:

- найбільш інформативним щодо вмісту заліза та гумусу є інфрачервоний діапазон світла;

- найінформативнішим щодо вмісту піску в поліських ґрунтах є зелений діапазон;

- для ґрунтів Полісся притаманна відбивна здатність більше за рахунок вмісту крупного піску, ніж фізичної глини, яка є одним з головних чинників відбиття світла для чорноземних ґрунтів;

- при розрахунковому визначенні вмісту першої фракції гранулометричного складу достатньо використовувати лише дані багатоспектрального сканування, навіть без урахування ЦМР;

- на основі виведених математичних моделей, що описують зв`язок між ґрунтовими параметрами та даними дистанційного зондування, можна будувати за допомогою геоінформаційних систем (ГІС) електронні картограми вмісту гумусу, заліза, піску тощо. В цьому випадку вирішується одна з найбільш складних проблем ґрунтознавства - перехід від точки (ґрунтовий розріз з аналітичним забезпеченням) до просторової картографічної одиниці. Для кожної точки ґрунтового виділу можна одержати дані про вміст гумусу, заліза, піску, гранулометричний склад і яскравість ґрунтів.

Аналізуючи отримані результати, слід зробити важливий для розвитку сучасної ґрунтової картографії висновок стосовно доцільності (необхідності) використання даних багатоспектрального сканування і цифрових моделей рельєфу в процесі створення електронних картограм ґрунтових показників. Одержані моделі досить переконливо підтверджують принцип нерівноточності ґрунтових карт в різних місцях залежно від отриманих ландшафтно-індикаційних зв`язків. Найбільш високої точності ґрунтово-картографічних матеріалів можна досягти за сценаріями, в яких буде використано моделі залежності вмісту гумусу від інформації БСКС, даних ЦМР та вмісту заліза. Для цього слід використовувати дані космічних зйомок, що проводяться в моменти, коли поверхня максимально оголена від рослинного покриву.

Побудова електронних ґрунтових карт і картограм за допомогою ГІС та їх верифікація

У даному розділі розкриваються методологічні основи побудови електронних ґрунтових карт та картограм певних ґрунтових параметрів окремих полів поліської зони. Описуються способи та критерії, за якими проведено апробацію та перевірку отриманих результатів досліджень, приводиться порівняльний аналіз архівних ґрунтових карт з новими електронними.

З літературних джерел випливає, що ґрунтова карта, яку складено з урахуванням пластики рельєфу, є більш детальною та придатною, так як на ній відображається реальна картина земної поверхні та її частин. Алгоритм побудови електронних ґрунтових карт створювали за результатами кластерного аналізу даних багатоспектрального сканування в геоінформаційній системі. Кластерний аналіз проводили за даними багатоспектрального сканування в 3-х діапазонах хвиль з урахуванням вегетаційного індексу та цифрової моделі рельєфу. За одержаними результатами в ГІС побудовано електронні карти ґрунтів досліджуваних полігонів у вигляді растрового зображення. Для прикладу наводимо одне з досліджених полів (рис.5). Подальша процедура автоматичної векторизації дає змогу оцінити площі ґрунтових ареалів. Назви виділеним ґрунтам надавали за морфологічним описом ґрунтових профілів у полі.

Автоматизований характер обробки даних космічного знімку, використання математико-статистичного апарату кластерного аналізу, застосування приладів GPS в процесі проведення польового етапу робіт підвищує точність визначення ґрунтових контурів порівняно з традиційною методикою великомасштабного обстеження ґрунтів та їх картографування.

Верифікацію границь ґрунтових ареалів і водночас генетичного статусу ґрунтів нами здійснено за рахунок закладання розрізів та прикопок за катеною вниз за схилом (на рисунках ґрунтові карти наведено в сполученні з лініями рельєфу даних полів). Такий захід ідентифікації та картографування ґрунтового покриву детально описує відомий білоруський ґрунтознавець Романова Т.А. (2004). Ефективність катенного методу верифікації ґрунтової карти описують Позняк С.П. і Красєха Є.Н. (2003) в своєму навчальному посібнику, наводячи декілька способів картографування за катенами.

Наступною перевагою застосування новітніх технологій в сучасному ґрунтовому картографуванні є можливість побудови супровідних до ґрунтової карти електронних картограм різноманітних ґрунтових показників. Картограми надають ґрунтовій карті додаткової інформативності, підвищують її коректність та базуються виключно на кількісній інформації (параметрах БСКС, аналітичних та геоморфологічних даних). Картограма яскравостей зображення несе пряму інформацію про колір ґрунтів і непряму - про вміст гумусу, гранулометричний склад, вміст заліза і т.д. в кожному пікселі зображення. Користуючись такими значними перевагами космічної зйомки над традиційними методами, якими є неперервність у просторі та оглядовість значних територій, нами побудовано, поряд з картами ґрунтів, картограми вмісту гумусу, заліза та першої фракції гранулометричного складу для кожного дослідженого нами поля на основі раніше наведених математичних моделей.

На підставі вищеозначеного можна сформулювати такі основні принципи методології ґрунтового картографування:

в основу ґрунтового обстеження мають бути покладені кількісні критерії;

грунтово-картографічні роботи повинні проводитись на базі новітніх технологій (ГІС, ДЗЗ, GPS, сучасних аналітичних систем, цифрових моделей рельєфу);

польові і аналітичні дослідження ґрунтів мають спрямовуватись переважно на розробку зональних ґрунтово-ландшафтних зв'язків і на їх основі індикаційних моделей для визначення основних кількісних параметрів ґрунтів;

цифрові електронні карти і картограми слід розглядати як носії інформації, призначеної для цілей інвентаризації земель, раціонального землекористування, ґрунтового моніторингу і ін.;

за умови проведення повторюваних у часі досліджень відкривається можливість здійснювати якісний моніторинг ґрунтів і ґрунтового покриву у "точках", що прив'язані до географічних координат і картографічних одиниць.

Тим самим сформовано основні принципи теорії і методології сучасної ґрунтової картографії. Вони можуть бути використані як в алгоритмі створення нових великомасштабних карт, так і при коригуванні архівних ґрунтово-картографічних матеріалів.

Висновки