Погляд з неба, або Грунтові контури з крила безпілотника

Станом на 2014 р. в Україні наразі відсутній моніторинг та інвентаризація земель. Про це свідчить низка документів Ради національної безпеки та оборони України (РНБО) та, зокрема, указ президента України (№ 572/2013). Однак ця ситуація виникла не на порожньому місці, складнощі накопичувались поступово. Наприкінці 70-х років минулого століття в СРСР було завершено формування та складання грунтових карт, якими користуються й нині всі зацікавлені підприємства, установи та фізичні особи.

М. Со­ло­ха, ст. на­ук. співробітник, канд. ге­огр. на­ук, ННЦ «Інсти­тут грун­тоз­нав­ст­ва та аг­рохімії імені О. Н. Со­ко­ловсь­ко­го»

Після цьо­го за­хо­ду грун­тові кар­ти не онов­лю­ва­ли як із полі­тич­них, так і з еко­но­мі­ч­них при­­­чин. Їхня до­сто­вір­ність, за різни­ми оцінка­ми спе­ціа­лістів, з ог­ля­ду на по­над 30-річну дав­ність — за­старіла, що ста­вить під сумнів їхню при­датність для ко­ри­с­ту­ван­ня з ме­тою оціню­ван­ня зе­мель, їхньо­го боні­ту­­ван­ня то­що.
У цьо­му ра­курсі ак­ту­алізується по­­тре­ба про­ве­ден­ня най­б­лиж­чи­ми ро­­ка­ми відповідно­го досліджен­ня на те­ри­торії Ук­раїни. Ус­клад­нюється ця про­бле­ма від­­сутністю в країні су­час­но­го об­лад­нан­ня дис­танційно­го зон­ду­ван­ня, яке да­ва­ло б змо­гу опе­ра­тив­но от­ри­му­ва­ти дані про по­точ­ний стан грун­то­во­го по­кри­ву. Мо­ва йде про відсутність влас­но­го штуч­но­го су­пут­ни­ка. Про­сто­рові все­охопні дані про стан грун­то­во­го по­кри­ву мож­на от­ри­му­ва­ти тільки із штуч­них за­кор­дон­них су­пут­ників, що із зро­зумілих при­чин ще більше ус­клад­нює про­цес їхньо­го опе­ра­тив­но­го от­ри­ман­ня. Во­ни над­хо­дять на те­ри­торію Ук­раїни із ве­ли­ким запізнен­ням — ча­с­то но­сять уже архів­ний ха­рак­тер і є фраг­ме­н­тар­ни­ми. На­­пра­цю­ван­ня ме­то­дич­них підходів що­до онов­лен­ня цих ма­те­ріалів по­тре­бує су­час­них рішень на різних рівнях — від ло­каль­но­го до рівня краї­­ни.
До­поміжним, а в де­я­ких ви­пад­ках і аль­тер­на­тив­ним ме­то­дом от­ри­ман­ня да­­них про стан грун­то­во­го по­кри­ву є ае­ро­фо­тозй­ом­ка. На сьо­годні в Ук­раїні пла­нові ае­ро­фо­тозй­ом­ки грун­то­во­го по­кри­ву не про­во­дять, бо відсутнє відповідне об­лад­нан­ня (ае­ро­фо­то­ла­бо­ра­торії).
   Але ос­танніми ро­ка­ми по­сту­по­во на­бу­­ває по­ши­рен­ня ае­ро­фо­тозніман­ня із дис­танційно піло­то­ва­но­го літаль­но­го апа­ра­та (ДПЛА), які вигідно ек­сплу­а­ту­ва­ти на не­ве­ли­ких пло­щах (до 20 000 га/до­бу). Во­ни до­пов­ню­ють справжню авіа­цію, яку не­­­­­­­­ви­гідно ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти для та­ких площ.
В Ук­раїні роз­по­ча­то дослідну ек­сплу­а­тацію та­ко­го ро­ду об­лад­нан­ня на те­ри­торії декількох об­ла­с­тей Ук­раїни. Се­ред за­вдань для пріори­тет­но­го вирішен­ня: ство­рен­ня еле­ментів ме­то­ди­ки ви­яв­лен­ня ста­ну грун­то­вих кон­турів та пе­ре­вір­ка їхньої ефек­тив­ності на­зем­ни­ми кон­такт­ни­ми ме­то­да­ми, аналіз та пе­ревірка відповідно­го про­грам­но­го об­лад­нан­ня для ство­рен­ня цієї ме­то­ди­ки то­що.
Досліджен­ня про­во­ди­ли на те­ри­торії Кіро­во­градсь­кої об­ласті, у Но­во­ар­хан­гельсь­ко­му рай­оні. Зйом­ку з ДПЛА про­во­ди­ли над те­ри­торією на­се­ле­них пунк­тів Но­во­ар­хан­гельськ — Тор­го­ви­ця — Левківка — Са­бо­во. Ге­о­графічні ко­ор­­дина­ти цен­т­ра те­с­то­вих грунтів:
по­ле № 1 — 48.624979N, 30.798207E; по­ле № 2 — 48.627191N, 30.804985E; по­ле № 3 — 48.622785N, 30.821947E; по­ле № 4 — 48.518709N, 30.802392E. Та­кож на Київ­щині те­с­ту­ва­ли землі у Бо­гу­славсь­ко­му рай­оні. Зйом­ку з ДПЛА про­во­ди­ли над те­ри­торією на­се­ле­них пунктів Дібров­ка — Гу­та — Ісай­ки. Ге­о­гра­фічні ко­ор­ди­на­ти цен­т­ра те­с­то­вих полів № 5 — 49.459964N, 30.796618E.
Ме­то­ди досліджень: кон­тактні, кла­сич­ні ме­то­ди грун­тоз­нав­ст­ва (за­кла­ден­ня розрізів та при­ко­пу­вань), дис­танцій­ні — ае­ро­фо­тозй­ом­ка із дис­танційно піло­то­ва­но­го літаль­но­го апа­ра­та.
Реєстрацію спектрів ви­ко­ну­ва­ли за до­по­мо­гою фо­то­апа­ра­та Pentax W60, який бу­ло вста­нов­ле­но на ДПЛА. Зйом­ку про­во­ди­ли вдень — від 9.30 до 17.00 год (у період жовт­ня — ли­с­то­па­да 2013 р.), з різних по­зицій та на­прямків візи­ру­ван­ня. Ви­со­та про­льо­ту ДПЛА над те­с­то­ви­ми по­ля­ми ко­ли­ва­ла­ся у ме­жах від 80 до 100 м. Зйом­ку про­во­ди­ли за різних умов освітле­ності та хмар­ності за­для на­пра­цю­ван­ня ме­то­дич­них рішень що­до змен­шен­ня їхньо­го впли­ву на до­сто­вір­ність ре­зуль­та­ту. Для вирішен­ня за­вдан­ня вста­нов­лен­ня грун­то­вих кон­турів мар­ш­ру­ти ДПЛА спо­чат­ку ма­ли різні ви­со­ти і на­прям­ки ру­ху та пла­номірно по­кри­ва­ли пло­щу по­ля. Та­кий підхід по­тре­бу­вав до­сить ве­ли­кої за­тра­ти ча­су (до 5 год на 100 га), то­му цей ме­тод досліджен­ня бу­ло до­опраць­о­ва­но.
Вдо­с­ко­на­ле­ний мар­ш­рут літаль­но­го апа­ра­та має ви­гляд де­кількох серій оваль­них спіра­лей над те­с­то­ви­ми по­ля­ми. Це да­ло змо­гу убез­пе­чи­тись від до­пу­щен­ня по­ми­лок під час виз­на­чен­ня кон­турів за хмар­ності, різ­них кутів на­хи­лу сон­ця та суттєво ско­ро­ти­ло час про­ве­ден­ня зйом­ки (до 25 хв на 100 га). За один тур зйом­ки ДПЛА ро­бить по­над 150–180 знімків од­но­го по­ля. Бу­ло за­сто­со­ва­но ме­тод «зши­ван­ня» ае­ро­фо­то­знімків (ство­рен­ня ор­то­фо­то­пла­ну), ко­рекцію дис­торсій на ае­ро­фо­то­знімку. Для цьо­го об­роб­ку знімків ви­ко­ну­ють серійно. Серії скла­да­ють­ся із вирівню­ван­ня знімків, по­бу­до­ви ге­о­мет­рії ор­то­фо­то­пла­ну (схе­ми) і тек­с­ту­ри пла­ну та на­ступ­но­го збе­ре­жен­ня про­ек­ту (схе­ми). Їх ви­ко­ри­с­то­ву­ють для по­бу­до­ви ор­то­фо­то­пла­ну як пла­но­ві. Вста­нов­лен­ня грун­то­вих кон­турів (не­­од­норідно­с­тей) на те­ри­торії по­ля (-ів) по­чи­на­ло­ся з об­льо­ту те­ри­торії ДПЛА. Потім на ос­нові пер­спек­тив­них знімків вста­нов­лю­ва­ли кон­ту­ри, які по­тре­бу­ва­ли пе­­ре­вірки. Піс­ля візу­аль­но­го вста­­нов­лен­ня кон­турів на полі за­кла­да­ли йо­го грун­то­вий розріз із на­ступ­ним опи­сом грун­то­вих го­ри­зонтів. Після під­твер­д­жен­ня на­яв­ності грун­то­вих кон­турів про­во­ди­ли зши­ван­ня знімків, скла­­­дан­ня ор­то­фо­то­пла­ну, ге­о­гра­фічну прив’яз­­ку від­­­­­­повідно до ГІС-па­ке­та (ArcInfo, Mapinfo) от­ри­ма­них грун­то­вих картосхем.

Ре­зуль­та­ти досліджень
Як за візу­аль­но­го об­сте­жен­ня, так і за ае­ро­фо­тозй­ом­ки грун­тові кон­ту­ри від­окрем­лю­ють за­вдя­ки різно­му гра­ну­ло­ме­т­рич­но­му скла­ду на різних фор­мах рельєфу. За схи­лу по­ля по­над 5° у всіх ви­пад­ках гу­му­со­ва­ний профіль ко­рот­кий (зав­тов­шки до 30 см). Схи­ли з ухи­ла­ми від 1 до 3° ма­ють порівня­но мен­ше ви­ра­жені грун­тові кон­ту­ри. Вста­нов­ле­но, що візу­аль­но відо­крем­лю­ва­ти кон­ту­ри тре­ба на пер­спек­тив­них знімках (фото 1, 2, 3; а — вихідний знімок; б — після підси­лен­ня кон­тра­с­ту), на яких во­ни яв­но ви­ра­жені та лег­ко іден­тифіку­ють­ся.
По­ле № 1 має ухил на захід 3°. Кон­ту­ри ма­ють та­кий ви­гляд: 1 — кон­тур сіль­сько­го­с­по­дарсь­кої рос­лин­ності у мікро­по­ни­женні (за­па­дині), де гу­му­со­ва­ний шар по­тужніший (до 40 см), збільше­на во­логість; 2 — ре­гра­до­ваність ша­ру гу­му­су; 3 — ан­т­ро­по­ген­но по­ру­ше­ний шар грун­ту (про­кладання еле­к­т­ро­ка­бе­лю).
По­ле № 2 має ухил на схід 3°. Ви­яв­лені кон­ту­ри ма­ють ха­рак­терні оз­на­ки стікан­ня у на­прям­ку во­доз­бо­ру (фото 2: 1, 2). Грун­ти пред­став­лені чор­но­зе­ма­ми ти­по­ви­ми се­ред­ньосуг­лин­ко­ви­ми.
По­ле № 3 має схил на захід 3°. Під час об­сте­жен­ня ви­яв­ле­но про­яви грун­то­вих кон­турів під по­кри­вом с.-г. рос­лин­ності (фото 3). Чітко про­сте­жу­ють­ся кон­ту­ри під соєю, ку­ку­руд­зою, пше­ни­цею. На зми­тих кон­ту­рах зга­да­на ви­ще с.-г. рос­линність пе­ре­бу­ває у стані ре­г­ре­су, дозріван­ня то­що. Ба­га­то дослідників вва­жа­ють, що вста­нов­лен­ня грун­то­вих кон­турів під рос­линністю ус­клад­не­не або вза­галі не­мож­ли­ве. За на­ши­ми да­ни­ми, уточ­нен­ня грун­то­вих кон­турів під рос­линністю має пер­спек­ти­ви для по­даль­шо­го досліджен­ня.
Ха­рак­терні про­яви зми­тих кон­турів відо­б­ра­жа­ють­ся в оп­тич­но­му діапа­зоні як за­галь­не підви­щен­ня спе­к­т­раль­ної яс­к­ра­вості (СЯ) в усіх ка­на­лах RGB-мо­делі. Для порівнян­ня: кон­ту­ри бур’янів ма­ють підви­щену СЯ у ка­налі G. У всіх варіан­тах спе­к­т­ральні зна­чен­ня фо­ну всіх полів, досліджу­ва­них за всіма RGB-ка­на­ла­ми, ма­ють зна­чен­ня до 70–78. То­му кон­ту­ри зми­тих грунтів лег­ко іден­тифіку­ють­ся в оп­тич­но­му діапа­зоні.
Про­тя­гом усь­о­го ту­ру зйом­ки відбу­ва­ли­ся ме­те­о­ро­логічні зміни за до­бу (змі­на хмар­ності), що впли­ва­ло на СЯ от­­ри­ма­них ае­ро­фо­тознімків. За косміч­ної зйом­ки хмарність прак­тич­но не дає мож­ли­вості про­во­ди­ти іден­тифікацію в оп­тич­но­му діапа­зоні еле­к­т­ро­магнітних хвиль. Ае­ро­фо­тозй­ом­ку про­во­ди­ли під хма­ра­ми, які візу­аль­но ма­ли різну ви­со­ту (від 800 м до 1 км). Для змен­шен­ня впли­ву та вірогідності спо­тво­рен­ня за­сто­со­ву­ва­ли ме­тод спе­к­т­раль­ної об­роб­ки от­ри­ма­но­го ор­то­фо­то­пла­ну в се­­ре­до­вищі ErdasImage 9.1. (фото 4).
Це да­ло змо­гу от­ри­ма­ти ор­то­фо­то­пла­ни з мінімаль­ним впли­вом ме­те­о­ро­логічних фак­торів на грун­тові кар­то­схе­ми (фото 5). Відо­крем­лен­ня грун­то­вих кон­­турів про­во­ди­ли на ос­нові різно­ко­льо­­ро­во­го за­барв­лен­ня схилів, кон­турів із рос­линністю то­що. Ор­то­фо­то­план за­ван­та­жу­ва­ли в ГІС-па­кет та об­роб­ля­ли стан­дарт­ни­ми кар­то­графічни­ми інстру­мен­та­ми для от­ри­ман­ня грун­то­вої кар­то­схе­ми.
За зйом­ки у по­хму­ру по­го­ду із су­ці­ль­ною хмарністю грун­тові кон­ту­ри, особ­ли­во змиті, іден­тифіку­ва­ли­ся навіть без підси­лен­ня кон­тра­с­ту та спе­к­т­раль­ної об­­роб­ки. Зйом­ка, що про­хо­ди­ла за со­няч­ної по­го­ди, тільки підтвер­ди­ла цю гіпо­те­зу.
Як у Кіро­во­граді, так і на Київщині змиті кон­ту­ри ма­ють східні спе­к­т­ральні СЯ, тоб­то спе­к­т­ральні ха­рак­те­ри­с­ти­ки зми­тих (ре­гра­до­ва­них) кон­турів у Цен­т­ральній Ук­раїні ма­ють за­гальні ри­си та не за­ле­жать від ши­ро­ти.

Вис­нов­ки
Œ   На базі от­ри­ма­но­го досвіду вста­нов­ле­но, що візу­аль­но відо­крем­лю­ва­ти кон­ту­ри тре­ба на пер­спек­тив­них знім­ках.
   Ви­яв­лен­ня грун­то­вих кон­турів під рос­линністю мож­ли­ве за ви­ко­ри­с­тан­ня дис­танційних ме­тодів за­леж­но від ста­ну рос­лин­ності, ча­су зйом­ки та ши­ро­ти.
Ž   Мо­дель Бра­у­на під час по­бу­до­ви грун­то­вих кар­то­схем, карт, вста­нов­лен­ня грун­то­вих кон­турів та кон­турів сіль­сь­ко­го­с­по­дарсь­кої рос­лин­ності має ве­ли­кі пер­спек­ти­ви. Ре­алізація мо­делі Бра­у­на до­ступ­на за ви­ко­ри­с­тан­ня про­грам­но­го забезпечення PhotoScan. Є певні об­ме­жен­ня на за­сто­су­ван­ня цієї мо­делі під час зйом­ки об’єктів, які ма­ють пев­ну ви­со­ту (лісо­сму­ги на пе­ресічно­му рельє­фі, за­бу­до­ви). Під час по­бу­до­ви мо­делі во­на за­знає пев­но­го спо­тво­рен­ня — тож не мо­же бу­ти ви­ко­ри­с­та­на для вимірю­ван­ня площ грун­то­вих кон­турів.
   Змиті грун­ти ма­ють підви­ще­ну спе­к­т­раль­ну яс­к­равість навіть під будь-якою с.-г. рос­линністю. Зна­чен­ня СЯ ко­ли­ва­ють­ся від 80 до 130.