Цифровой ландшафтный анализ при крупномасштабном картографировании структуры почвенного покрова

Одним из важнейших направлений современного естествознания является изучение пространственно-временной организации природных и природно-антропогенных геосистем. Наиболее эффективный инструмент описания неоднородности ландшафта и его компонентов — тематическое картографирование, обеспечивающее проведение границ между геокомплексами в разных масштабах средствами пространственного анализа.

Пространственный анализ ландшафта, направленный на изучение его структуры и межкомпонентных связей разных уровней, опирается на сравнительно-географический метод, теоретико-методические основы структурно-генетического ландшафтоведения (JI.C. Берг, Н. А. Солнцев, В. Б. Сочава, В. А. Николаев, А. А. Видина и др.), методы ландшафтной индикации (С.В. Викторов, Б.В. Виноградов), дешифрирования аэрокосмической информации (Ю.А. Ливеровский, B. J1. Андроников, М. С. Симакова, В. А. Николаев, Ю. С. Толчельников, А.С. Викторов), тематической картографии.

В настоящее время развитие картографических исследований тесно связано со становлением цифровых методов тематической картографии (Берлянт, 2006). Современные информационные системы позволяют перейти от хранения и использования электронных версий тематических карт к их непосредственному производству с использованием цифровых технологий на всех этапах исследования (Lagacherie, McBratney, 2006). При этом расширяется круг познавательных и прикладных задач географических исследований (Environmental soil-landscape modeling, 2006).

Диссертационная работа направлена на развитие цифровых методов ландшафтного анализа применительно к почвенному картографированию в методологии структуры почвенного покрова (Фридланд, 1972, 1977, 1984, Методология составления крупномасштабных ., 2006), объекты которого напрямую связаны с объектами структурно-генетического ландшафтоведения. Вследствие заведомо выборочного характера почвенного опробования, выявление границ и содержания почвенных ареалов опирается на учение о почвенно-ландшафтных связях, разработанное в трудах В. В. Докучаева (1898), X. Йенни (1961) и др.

Цель работы — разработать систему количественных методов пространственного ландшафтного анализа для создания цифровых крупномасштабных карт структур почвенного покрова (СПП). В соответствии с поставленной целью на опытном полигоне решаются следующие задачи:

1) обосновать и апробировать цифровые методы составления региональной модели почвенно-ландшафтных связей с учетом уровней организации почвенного покрова (ПП);

2) разработать цифровые методы типизации почвенных неоднородностей и их картографического отображения;

3) предложить методы оценки достоверности получаемых результатов;

4) обозначить методические и технологические ограничения цифровых методов картографирования, а также направления дальнейшего развития.

Материалы и методы исследования.

Решение перечисленных задач базируется на использовании следующих независимых источников информации о ПП и определяющих его факторах:

• полевых почвенных описаниях, регистрирующих свойства элементарных почвенных ареалов в различных ландшафтных позициях;

• цифровой модели рельефа (ЦМР), характеризующей потенциальную неоднородность условий почвообразования, в связи с перераспределением вещественно-энергетических потоков земной поверхностью;

• разносезонных многозональных снимках Landsat, характеризующих свойства ландшафтного покрова через величины отраженной солнечной радиации в разных зонах спектра.

Совместный анализ независимой информации о состоянии ПП осуществляется средствами цифрового пространственного анализа (ГИС, дистанционное зондирование, методы статистики) в соответствии с факторно-корреляционной моделью почвенно-ландшафтных связей (Докучаев, 1898- Глинка, 1912; Jenny, 1941; McBratney et. al., 2003) и принципом ландшафтного подчинения (Николаев, 2006). Используются методические подходы пространственного анализа для целей разномасштабного ландшафтного картографирования (Пузаченко и др., 2006; Сысуев, 2003; Козлов, 2008; Ландшафтно-географическая школа., 2008).

Объектом исследования послужили ландшафты подзоны смешанных лесов южного макросклона Клинско-Дмитровской гряды (Московская физико-географическая провинция). На этой территории Почвенным институтом им. В. В. Докучаева РАСХН в границах полигона «Зеленоградский» с 70-х годов XX века проводятся многолетние исследования по изучению и картографированию СПП. Наличие кондиционных почвенно-картографических материалов (Сорокина, 1980, 1998; Шершукова, 1984; Кальван, 1983 и др.) позволило в рамках настоящей диссертации провести сопоставление почвенных карт, составленных на основе концепции СПП по материалам одного полевого почвенного исследования' двумя способами: 1) в ручном, «бумажном» варианте и 2) с использованием цифровых технологий.

Основные защищаемые положения:

1. Теоретико-методологической основой цифрового почвенного картографирования является пространственный ландшафтный анализ, обеспечивающий разработку моделей ландшафтно-индикационных связей для почвенных карт разного содержания.

2. Отражение структуры ПП на цифровых крупномасштабных картах достигается: 1) использованием методов нечеткой логики при типизации почвенных комбинаций- 2) учетом размеров элементарных почвенных ареалов и элементарных почвенных структур при обосновании размеров растровой сетки- 3) разномасштабным представлением ландшафтно-индикационных свойств.

3. Оценка достоверности модели почвенно-ландшафтных связей и результатов картографирования является обязательным элементом почвенно-картографических исследований.

Научная новизна работы заключается в разработке и реализации цифровых методов ландшафтного анализа применительно к отображению СПП и факторов его пространственной дифференциации.

Прикладное значение работы. Методы, развиваемые в работе, расширяют познавательные возможности почвенно-ландшафтных исследований разномасштабной неоднородности ПП и его отдельных свойств. В производственном режиме внедрение цифровых методов анализа пространственной информации позволяет достичь значительного увеличения скорости и уменьшения стоимости почвенно-ландшафтного картографирования (MacMilan, 2008).

Апробация. Результаты исследований докладывались на 3-ей международной конференции по цифровой почвенной картографии «Digital Soil Mapping: Bridging Research, Production, and Environmental Application» (2008, г. Логан, США), V-ом съезде общества почвоведов им. В. В. Докучаева (2008, г. Ростов-на-Дону), 2-ой Национальной конференции с международным участием «Проблемы истории, методологии и философии почвоведения» (2007, г. Пущино), Всероссийской научной конференций «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты» (2007, Санкт-Петербург), XI-ой Ландшафтной конференции (2006, Москва). Кроме того, результаты обсуждались на тематических семинарах Докучаевского общества почвоведов, подкомиссии картографии почв и комиссии по педометрике (2006, 2008), опубликованы в журнале «Почвоведение» (2009, № 2, № 6). Полученный опыт цифрового ландшафтного анализа используется в учебных курсах географического и почвенного факультетов МГУ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 160 наименований (58 на иностранном языке), изложена на 146 страницах, имеет 55 рисунка и 29 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации на экспериментальном материале впервые предложены и апробированы цифровые средства ландшафтного анализа применительно к задачам крупномасштабного почвенного картографирования в методологии СПП:

1. Несоответствие масштабных уровней сбора полевой точечной информации о почвах и площадной характеристики условий почвообразования преодолено с помощью элементов растровой сетки — пикселей, линейные размеры которых обоснованы в соответствии с характерными размерами картографируемых структур ПП. В конкретных региональных условиях размер ячейки растра составил 30×30 м, что больше площади ЭПА, но меньше площади ЭПС.

2. Показано, что характер пересечения ареалов почвенных категорий (функций принадлежности нечетких множеств) в пространстве ландшафтно-индикационных признаков определяет состав почвенных комбинаций для каждого пикселя. Для их типизации использован метод нечеткой классификации пикселей по условным вероятностям функции принадлежности компонентов ПП. Оптимальное число типов ПК определяется числом классов, при котором достигается наименьшая неопределенность классификации. Определенность ареалов ПК подтипов почв выше (0.95 для 18 ПК), чем определенность ареалов преобладающих подтипов почв (0.71 для 10 подтипов), что подтверждает эффективность методологии СПП в почвенной картографии.

3. В диссертации впервые продемонстрировано картографическое отображение оценок достоверности модели почвенно-ландшафтных связей и результатов картографирования СПП в рамках использоваиной технологии и априориых наборов данных. Картосхемы демонстрируют вариативность детерминированности почвенно-ландшафтных связей и локализуют участки с наиболее комплексным ПП, требующие дополнительного почвенного опробования. Во всех вариантах наибольшая неопределенность прогноза преобладающего компонента почвенной неоднородности и типизации ПК характерна для вогнутых, собирающих влагу элементов рельефа. Высокая неопределенность характерна для ПК агроосвоенных территорий.

4. Реализованы два взаимодополняющих подхода составления почвенных карт, связанных со способом характеристики ПП в зависимости от целевого назначения карты: 1) через таксономическое положение почв в действующей почвенной классификации- 2) через диагностические показатели процессов оглеения, эрозии и аккумуляции, оподзоливания с их последующей интеграцией в виде картосхемы агроэкологических групп ПК. Установлена специфичность индикационно-диагностических показателей для разных процессов.

5. Канонический анализ положения ареалов почвенных категорий в признаковом пространстве позволил определить число и содержание независимых факторов дифференциации ПП и установить их наиболее информативные диагностические характеристики. Выявленные региональные закономерности внутриландшафтной дифференциации ПП на уровне ЭПС согласуются с выводами, полученными в предыдущих исследованиях. В условиях однородных почвообразующих пород изменчивость ПП определяется агрогенным воздействием хозяйственной деятельности в сочетании с разномасштабной неоднородностью элементов рельефа по характеру увлажнения.

6. Установлены ограничения ЦПК: 1) неполнота учета почвообразующих факторов и масштаба их проявления, 2) необходимость контроля полноты обучающей выборки, 3) нелинейный характер почвенно-ландшафтных связей, 4) точность исходных данных и их преобразований при подготовке к анализу.