CC BY
0УДК: 631.6 (574.1)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ЛИМАНА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИХ ЗАТОПЛЕНИЯ
ОЦАЕВ МАРАТ ЦАЙРЛЫ¥ЛЫ
Кандидат технических наук, доцент индустриально-технологического института, НАО «Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана»,
Республика Казахстан
УМБЕТКАЛИЕВ НУРЛАН МЕНДИКЕРЕЕВИЧ
Магистр, старший преподаватель индустриально-технологического института, НАО «Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана»,
Республика Казахстан
ДЖАПАРОВ РАШИТ ШАФХАТОВИЧ
Доктор PhD, и.о. доцента политехнического института, НАО «Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана»,
Республика Казахстан
АСЦАР БАГДАТ Н¥РБЕК¥ЛЫ
Магистрант индустриально-технологического института, НАО «Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана»,
Республика Казахстан
Аннотация. При создании цифровой модели местности (ЦММ) территории лимана № 50 применялась съемка с использованием спутникового приемника Spector S65 в комплексе с базовой станцией. На местности были выделены и закоординированы 4 участка, расположенные на 4 ярусах с нормами затопления 2500-3000 м3/га, 3000-3500 м3/га, 3500-4000 м3/га, 4000-4500 м3/га. В работе с космическими снимками использовалась программа с открытым кодом Quantum GIS (QGIS), которая позволила управлять геоданными, отображать, редактировать и анализировать их, а также создавать макеты карт. QGIS поддерживает множество векторных, растровых форматов, а также различные базы данных. Для определения и выделения на спутниковом снимке на фоне почвы и растительности участков, затопленных водой, или участков во влажном состоянии, использовался индекс NDWI (Normalized Difference Water Index), который позволил установить продолжительность времени стояния воды на выделенных участках.
Ключевые слова: лиман, нормы затопления, NDWI, цифровая модель местности, Quantum GIS.
Лиманы в Западно-Казахстанской области играют важную роль в обеспечении кормами животноводческую отрасль региона. От эффективности применения комплекса агротехнических и гидротехнических мероприятий, направленных на улучшение продуктивности травостоя на луговых и лугово-каштановых почвах, зависит решение кормовой проблемы в Западном Казахстане [1]. Правильный режим орошения не только экономит водные ресурсы, но и способствует появлению на лиманах большого количества ценных растений [2]. Продуктивность лиманов обусловлена агрохимическими, агрофизическими свойствами и мелиоративным
состоянием почв лиманов. Основным фактором, влияющим на урожайность естественных трав в Западном Казахстане, является наличие участков периодического затопления, что обуславливает неравномерность увлажнения почвы, как во временном промежутке, так и по площади лимана. Равномерное распределение воды на лимане обеспечивает высокую урожайность [3]. Использование технологий спутниковой связи для проведения измерительных работ и получения космических снимков, обработка полученных данных посредством геоинформационных инструментов является неотъемлемой частью научных изысканий на современном этапе работ.
В процессе исследовательских работ в 2023-2024 гг. был исследован рельеф лиманного участка, расположенного на территории поселка Алгабас Акжайского района Западно-Казахстанской области.
Рельеф играет значительную роль в формировании растительного покрова лиманов. Рельеф является основным фактором в процессах формирования почв и их географического распределения. Он определяет перемещение тепла, влаги и материалов, обуславливая процессы выветривания и создание почв на поверхности земли.
При создании цифровой модели местности (ЦММ) территории лимана № 50 применялась съемка с использованием спутникового приемника Spector S65 в комплексе с базовой станцией. Данная модель была необходима для наложения на нее горизонталей, посредством использования приложения МенюГео в программе AUTOCad 2021. Получаемый формат трансформировался в программу QGIS и использовался в дальнейшем для наземного подтверждения спутниковых картограмм.
Технология проведения работ со спутниковой GPS аппаратурой включает этапы:
- полевая рекогносцировка;
- закладка центров;
- организации базовой станции;
- полевые измерения (съемка объекта);
- камеральная обработка, вывод результатов измерений;
- составление технического отчета и оформление необходимой документации;
- полевой контроль, архивирование и сдача материалов.
Спутниковые измерения были выполнены в соответствии с требованиями инструкции по проведению спутниковых определений координат пассивных пунктов государственной геодезической сети с применением глобальных навигационных спутниковых систем [4].
С целью определения элементов микрорельефа лимана, высота сечения горизонталей была проведена через 5 см. В результате получился план со значительно расчлененным рельефом, осложненным мелкими микрозападинами, в которых вода застаивалось продолжительное время, в то время как основная часть лимана в конце весны была освобождена от воды (рисунок 1).
После изучения топографического плана местности были выделены и закоординированы 4 участка, расположенные на 4 ярусах с нормами затопления 25003000 м3/га, 3000-3500 м3/га, 3500-4000 м3/га, 4000-4500 м3/га.
Эти опытные участки стали местом изучения растительного материала и взятия почвенных проб. В соответствии с нормой затопления, эти опытные участки визуально качественно отличаются в ландшафте и растительном покрове. Участок на четвертом ярусе наиболее долго находился под водой и в отличие от участка на первом ярусе имеет более плотную и высокую растительность, более влагонасыщенные почвенные горизонты.
Базовые функции данной ГИС включают поддержку работы с векторными и растровыми данными: большинство векторных форматов, таких как shape-файлы ESRI, а также растровые форматы, например цифровые модели рельефа и данные спутников космических спутников. С помощью QGIS можно создавать, редактировать и
экспортировать пространственные данные, выполнять оцифровку, создавать shape-файлы, привязывать растры, а также импортировать и экспортировать данные в различные форматы и преобразовывать их [5].
Рисунок 1 - Цифровая модель лимана с нанесенными опытными участками
Для определения и выделения на спутниковом снимке на фоне почвы и растительности объектов открытой воды или объектов во влажном состоянии использовался индекс NDWI (Normalized Difference Water Index - Нормализованный Разностный Водный Индекс).
Индекс NDWI рассчитывается с использованием комбинации зеленого видимого света (GREEN) и ближнего инфракрасного диапазона (NIR), что позволяет фиксировать малейшие изменения содержания воды в водоемах. Этот индекс применяется для выявления и мониторинга изменений водных объектов. Благодаря использованию спектральных диапазонов NIR и GREEN, NDWI усиливает видимость водных объектов на спутниковых снимках [6].
Выбор этих длин волн был обусловлен тем, что водные объекты обладают максимальной отражательной способностью в зеленом спектре и минимальной в ближнем инфракрасном диапазоне, где, напротив, растительность и почва демонстрируют наибольшие значения отражения. В результате этого расчета водные объекты проявляются с положительными значениями, тогда как почва и наземная растительность характеризуются нулевыми или отрицательными значениями.
При вычислении значения индекса NDWI были приняты за основу следующие интервалы:
- 0,2-1 - поверхность воды;
- 0,2-0,2 - затопление, влажность;
- 0,3- 0,2 - умеренная засуха, неводные поверхности;
- 1-0,3 - засуха, неводные поверхности.
NDWI был применен для выявления водных объектов, уточнения их контуров на карте и отслеживания изменения. Вода практически не отражает свет в инфракрасном
диапазоне за пределами видимого спектра, и NDWI эффективно использует это свойство для определения водоемов и мониторинга их мутности.
Данные, полученные с помощью индекса NDWI из спутниковых снимков, были отображены на картограммах с использованием цветовой палитры и графиков, показывающих изменения значений во времени. На карте более высокие значения, близкие к +1, выделяются синим цветом и указывают на высокое содержание воды или наличие водных поверхностей. В то время как более низкие значения, вплоть до -1, свидетельствуют о признаках засухи, если только область интереса не представлена другой, неводной поверхностью.
На основе данных NDWI и ГИС QGIS 3 были созданы гистограммы состояния поверхности лимана по количеству дней стояния воды (рисунок 2). Данные гистограммы показали последовательное освобождение территории лимана от воды и формирования ярусов затопления.
Показания индекса NDWI от 01.03.2024
Показания индекса NDWI от 03.04.2024
Рисунок 2 - Показания индекса NDWI на участках лимана №50 по данным космического снимка со спутника Landsat 9
Продолжительность нахождения четвертого яруса (максимальная норма) под водой в 3 раза превышало соответствующий период первого яруса (минимальная норма). Отмечено, что для четвертого яруса практически не характерна характеристика «поверхность с умеренной засухой», так как долгое время данный ярус находился под водой. С 8 апреля по 10 мая территория лимана только на две трети освободилась от воды. Частично связанное с более ранним водоспуском, а также прохладной весной, вода долгое время покрывало лиман, что могло сказаться на позднем формировании растительного покрова и смещении фазы цветения на более поздний срок.
Полученная информация о периодах нахождения под водой участков лимана позволяет установить нормы затопления, эффективнее регулировать подачу и сброс воды для полноценного развития произрастающих кормовых трав и улучшения плодородия почвы.
Благодарности. Данное исследование было профинансировано Министерством науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках НТП BR21881871 «Разработка технологий и приемов заготовки кормов в кормовых угодьях Казахстана в контексте устойчивого управления».
ЛИТЕРАТУРА
1. Ларин, И.В. Природные лиманы, их улучшение и рациональное использование / И.В. Ларин // Вестн. с.-х. науки. - 1965. - № 7. - 1965. - С. 14-20.
2. Онаев, М.К. Мелиоративная оценка водных и земельных ресурсов Приуралья. Монография [Текст] / науч. ред. В.С. Кучеров. - Уральск: Зап.-Казах. аграр. техн. ун.-т им. Жангир хана, 2014. - 166 с.
3. Ongayev, M.K. Assessment of The Current State of Vegetetion of Estuaries in The Zone of Dry Steppes of Western Kazakhstan / M.K. Ongayev, R.B. Tuktarov, Z.B. Tassanova, S.E. Denizbayev // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. -2016. - RJPBCS 7 (5). - P. 382-389.
4. Об утверждении инструкции по геодезическим работам на геодинамических полигонах. Приказ и.о. Министра цифрового развития, инноваций и аэрокосмической промышленности Республики Казахстан от 11 января 2024 года № 13/Н^. Зарегистрирован в Министерстве юстиции Республики Казахстан 15 января 2024 года № 33906. - Режим доступа: https://adilet.zan.kz/rus/docs/V2400033906.
5. Сутырина, Е. Н. Дистанционное зондирование земли : учеб. пособие / Е. Н. Сутырина. - Иркутск : Изд-во ИГУ, 2013. - 165
6. Курьянович, Ю. С. Использование инфракрасных тепловых космических снимков для изучения почвенного покрова / Ю. С. Курьянович, Ф. Е. Давидович, М. Ф. Шалькевич // Почвоведение и агрохимия - 2022. - № 1(68). - С. 21-30.
