ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2012, № 10, с. 1045-1056
ГЕНЕЗИС И ГЕОГРАФИЯ ^^^^^^^^^^^^ ПОЧВ
УДК 631.4
СОЗДАНИЕ ДЕТАЛЬНЫХ ПОЧВЕННЫХ КАРТ НА ОСНОВЕ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ДАННЫХ О СВОЙСТВАХ ПОЧВ*
© 2012 г. Н. Б. Хитров
Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7, стр. 2
e-mail: khitrov@agro.geonet.ru Поступила в редакцию 28.11.2011 г.
Представлено описание методики создания детальной почвенной карты, основанной на густой сети точек опробования почв и численной интерполяции экспериментальных данных свойств самих почв. Исследование почвенного покрова сочетает регулярную сеть точек с постоянным шагом и дополнительные точки, учитывающие особенности почвенного покрова конкретного участка, и обеспечивает диагностику почвы и регистрацию имеющихся диагностических признаков в каждой точке. На камеральной стадии создают базу данных результатов опробования, составляют легенду почвенной карты, осуществляют выбор необходимого и достаточного комплекса количественных показателей и числовых значений критериев проведения границ между ареалами почв на основе численной интерполяции. Создают алгоритм выделения ареалов каждой почвы по сочетанию выбранных показателей, затем отдельные тематические слои по каждому показателю и, совмещая их, получают интегрированную почвенную карту исследуемого участка. Показателями для проведения границ между ареалами почв являются мощность или глубина верхней/нижней границы слоя, имеющего определенные диагностические признаки, позволяющие отличать данную почву от ее соседей, и специальные показатели, основанные на соотношении мощности или глубины нескольких слоев. Представлен пример процедуры создания детальной почвенной карты участка в Каменной Степи.
ВВЕДЕНИЕ
Традиционная почвенная съемка предполагает некоторую сеть почвенных разрезов, заложенных на разных элементах рельефа, под разными растительными группировками или в иных местах в соответствии с имеющейся информацией о дифференциации факторов почвообразования на конкретной территории, и проведение границ ареалов почв на основе некоторых моделей приуроченности почвы к определенному сочетанию факторов почвообразования с использованием топографической основы и данных дистанционного зондирования [4—7, 9, 11—13, 25]. При этом для уточнения положения границ иногда делают прикопки, в которых не выполняют полного описания и положение которых не регистрируют на картах. До недавнего времени большинство работ такого рода выполнялось в ручном режиме.
При создании детальных почвенных карт [12] использовали похожий подход, имевший ряд особенностей, а именно: более густую сеть почвенных разрезов, особое внимание к переходу одной почвы в другую (в частности, на основе анализа траншей), в ряде случаев интерполяцию свойств почв между соседними точками опробования. В результате имеется две группы детальных почвен-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты № 0604-08323, 08-04-01195, 11-04-00710.
ных карт: (1) карты, составленные преимущественно на основе индикации по факторам почвообразования с контролем сетью почвенных выработок (например, [10]), и (2) карты, составленные преимущественно на основе ручного режима интерполяции свойств самих почв по загущенной сети опробования [3, 8, 14]. Последний подход по своей сути можно рассматривать в качестве прототипа предлагаемой ниже методики.
В последнее десятилетие активно развивается цифровое почвенное картографирование (digital soil mapping) [17, 21—23]. Это направление предполагает создание цифровых карт, которые предсказывают почвы на основе факторов почвообразования [23]. Используют так называемый метод scorpan-SSPFe (soil spatial prediction function with spatially autocorrelated erros) — метод разработки почвенной пространственно предсказывающей функции с пространственно автокоррелированными ошибками на базе информации о факторах scorpan, где s — почва, измеренные признаки почв в какой-либо точке; c — климат; o — организмы, включая естественную и культивируемую растительность; r — рельеф, включая территориальные параметры и классы; p — почвообразующий материал, включая литологию; a — возраст, фактор времени; n — пространство, пространственное или географическое положение [23]. По своей сути это новый этап развития почвенной картогра-
фии на количественной основе, использующий теоретические положения и практический опыт традиционного картографирования, сформулированные и накопленные в течение XX в., и новые вычислительные и информационные технологии начала XXI в.
В связи с развитием технологий так называемого точного земледелия (precision agriculture) картографируют свойства почв, учет которых важен для дифференциации технологических приемов механического воздействия или внесения каких-либо веществ. Картографирование осуществляют на основе инструментального измерения свойств почв различными датчиками, как правило, установленными на автомобиле. Интерполяцию данных выполняют на основе моделей кригинга [18]. Общая схема работ включает выбор параметров сети опробования, производство измерений датчиком, отбор образцов почв для калибровки модели преобразования измерений датчика в требуемые свойства почвы, выполнение самой калибровки этой модели, пространственную интерполяцию данных и создание цифровой карты [24].
Цель статьи — описать методику создания детальной почвенной карты на основе численной интерполяции данных о свойствах конкретных почв с использованием современных вычислительных средств.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Методика предназначена для отображения границ элементарных почвенных ареалов (ЭПА) на основе численной интерполяции экспериментальных данных о почвах, полученных с помощью сетки точек опробования достаточной густоты.
Сущность методики заключается в полевом сравнительно частом опробовании почв, обеспечивающем диагностику почвы и регистрацию имеющихся диагностических признаков почвы в каждой точке изучения и в разработке алгоритма камеральной обработки экспериментальных данных, позволяющего воспроизводимо отобразить границы между ЭПА, выявленные при полевом обследовании почв.
Особенностью методики является использование количественных значений глубины верхней или нижней границы или мощности слоев, имеющие такие качественные признаки (один или некоторая их совокупность), которые являются диагностическими критериями тех или иных почв. При необходимости при создании прикладных карт могут быть использованы любые качественные характеристики почв или пород, а также напрямую любые количественные признаки почв и пород. Однако вместо самих качественных признаков для картографирования используют чис-
ловые значения глубины или мощности слоя, в котором они расположены.
Результирующую почвенную карту или прикладную тематическую карту составляют путем наложения друг на друга нескольких тематических слоев, каждый из которых отображает границы распространения тех или иных признаков, и в совокупности обеспечивающих обособление каждого ЭПА в соответствии с требуемой диагностикой каждой почвы или решения конкретной прикладной задачи.
Общая схема методики включает следующие этапы:
1. Полевые работы
1.1. Разбивка участка и обеспечение точности привязки каждой точки, в которой проводят диагностику почвы.
1.2. Нивелирная съемка участка.
1.3. Изучение почвенного покрова участка с целью описания, диагностики и регистрации морфометрических показателей почв.
2. Камеральные работы
2.1. Создание атрибутивной базы данных свойств почв участка.
2.2. Формирование легенды почвенной карты.
2.3. Формирование и расчет показателей, используемых для проведения границ ареалов почв на основе интерполяции данных, и создание алгоритма выделения ареалов каждой почвы по сочетанию выбранных показателей.
2.4. Создание отдельных картографических слоев по каждому выбранному показателю.
2.5. Создание почвенной карты участка путем интегрирования созданных картографических слоев распределения выбранных показателей в соответствии с разработанным алгоритмом.
Разбивка участка для полевого картографирования. Выбор места и размеров участка зависит от конкретной цели составления детальной почвенной карты или какой-либо иной прикладной тематической карты, отображающей свойства почв в детальном масштабе. Эти вопросы мы не будем обсуждать, предполагая, что исследователь уже определился и готов к разбивке участка. Хотя форма участка потенциально может быть разной, с практической точки зрения, предпочтительна прямоугольная, которая позволяет обеспечить наименьшую погрешность измерения относительных координат любой точки простыми способами.
Разбивку участка осуществляют (1) с помощью теодолита и мерных металлических лент (предпочтительны ленты длиной 50 и 100 м) или (2) с помощью только мерных лент, устанавливая колышки в узлах прямоугольной сетки с шагом 50 или 100 м.
Измерение относительных координат выполняют на основе четырех длинных и одной короткой мерных лент (рис. 1). Контроль обоих концов ленты относительно колышков и требуемого ее натяжения позволяет воспроизводить относительные координаты в пределах участка с точностью до 5—10 см. Определяют географические координаты узлов сетки с помощью приемника GPS. В дальнейшем дублируют определение координат всех точек опробования на основе GPS и на основе относительных координат по наземной разметке. Хотя GPS обычно имеет более высокую погрешность (5—15 м) привязки по сравнению с наземными способами (5—20 см), географические координаты необходимы для возможности совмещения результатов почвенного картографирования с материалами дистанционного зондирования и решения иных задач.
Техника работы с теодолитом подробно описана в руководствах по геодезии, поэтому мы не будем на ней останавливаться, отсылая читателя к любому доступному руководству.
Съемка рельефа участка. Как правило, модель рельефа дневной поверхности участка необходима при анализе закономерностей распределения почв в пространстве. Вместе с тем, в ряде случаев требуется создание модели рельефа верхней или нижней границы какого-либо почвенного горизонта или литологического слоя, которая может быть исполь
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.