Гиперспектральная геоморфология и мониторинг состояния сельскохозяйственных культур на ферме Ист-Оуэйнат

Пустыни Западного Египта засушливы, но восточная Сахара ещё более экстремальна, получая всего несколько сантиметров осадков в год, за что и получила название «ультразусушливая». Однако во время последнего ледникового периода Сахара представляла собой тропическую саванну с климатом, схожим с климатом современной Кении и Танзании. Годовое количество осадков было значительно больше, и здесь было множество рек и озёр. Сотни тысяч лет выпадения осадков также создали обширные подземные водоносные горизонты под движущимися песками, известные как Нубийская песчаниковая водоносная система (НСВС).

Эти грунтовые воды можно использовать для ведения сельского хозяйства в самом сердце пустыни, и благодаря реализации проекта «Восточный Овейнат» в регионе была создана крупная централизованная ирригационная система.

Обзор проекта

Строительство началось в 1997 году, и этот проект, наряду с проектом «Тошка», проектом «Дарб эль-Арбейн», проектом канала Эль-Салам и проектом «Новые деревни», считается одним из мегапроектов Египта. В то время как большинство из этих проектов не были реализованы, данный проект продолжает нормально функционировать. В настоящее время проект охватывает почти 5000 квадратных километров. Основные выращиваемые культуры — картофель, пшеница и лекарственные ароматические растения, такие как ромашка, а также имеются стеклянные теплицы.

Этот проект, расположенный в пустыне Сахара, находится примерно в 290 километрах от ближайшего города и в 210 километрах от озера Тошка. Он расположен в Восточном Овейнате, к западу от Тошки. Вода для орошения полностью поступает из глубоких подземных вод в нубийской песчаниковой водоносной системе. Этот регион также считается одним из самых равнинных в мире, практически без перепадов высот, и имеет диаметр около 350 километров. Из-за своего расположения в глубине пустыни транспортировка сельскохозяйственной продукции и материалов зависит от аэропорта, расположенного к востоку от места реализации проекта.

Нубийская песчаниковая водоносная система (НСВС) является одним из крупнейших в мире источников ископаемых подземных вод. В северном Чаде, особенно в горных районах Тибести и Эннеди, сезонные осадки достигают 150 мм/год. Эти осадки могут приводить как к рассредоточенному, так и к концентрированному пополнению запасов воды вдоль периодически пересыхающих пойменных долин. Недавние исследования показывают, что современное пополнение запасов воды в северном Чаде действительно происходит, но в очень ограниченном объеме как в пространственном, так и во временном отношении. Это означает, что устойчивое управление этим возобновляемым ресурсом может быть достигнуто только посредством тщательной количественной оценки.

△ Рисунок 1. Панорамный вид региона Ист-Оуэйнат, снятый Международной космической станцией в 2018 году.

△ Рисунок 2. Снимок проекта фермы Ист-Овейнат в ОАЭ, полученный со спутника Landsat (2017 г.)

Рисунок 3. Детали проекта фермы Ист-Оуэйнат в ОАЭ, снятые спутником Landsat (2017).

На рисунках 1 и 2 показано расположение и масштабы фермы Ист-Оуэйнат. Центральные оросительные участки разбросаны в глубине пустыни и хорошо различимы на спутниковых снимках.

На рисунке 3 показано, что каждая оросительная единица имеет диаметр приблизительно 850 метров и площадь около 850 му (приблизительно 50 гектаров). На рисунке 3 также показаны детали центральной оросительной фермы, на некоторых участках которой выращиваются картофель и пшеница (или другие культуры) вперемешку. На некоторых светло-коричневых участках, возможно, проводилось контролируемое сжигание для очистки соломы в рамках подготовки к следующему посевному сезону, что также отражено в последующей классификации землепользования и картах распределения состояния посевов.

△ Рисунок 4. Карта несущей способности грунта/грунтовых вод, построенная с использованием технологии WSCM.

Оценка ресурсов подземных вод

Гидрогеологические данные и данные о несущей способности почвы, собранные в 2007–2008 годах, включая глубину залегания грунтовых вод, общее содержание растворенных твердых веществ, продуктивность скважин, коэффициент адсорбции натрия, соленость почвы, глубину залегания почвы, процент обменного натрия в почве и емкость катионного обмена, были использованы и интегрированы в многослойную географическую информационную систему (ГИС). Затем с использованием этих слоев были применены методы взвешенного пространственного моделирования несущей способности (WSCM) для определения зон несущей способности почвы/грунтовых вод.

Как показано на рисунке, в районе проекта зоны с высокой и средней водоемкостью почвы/подземных вод занимают 89,18% от общей площади, в то время как зоны с низкой водоемкостью составляют лишь 10,81%. Центрально орошаемые сельскохозяйственные угодья в основном расположены в зонах с высокой и средней водоемкостью в этом районе исследования, что указывает на пригодность орошаемого земледелия для дальнейшего расширения в этом важном районе развития. Однако из-за крайне ограниченного водоснабжения Нубийской песчаниковой водоносной системы (NSAS), которая по-прежнему должна рассматриваться как невозобновляемый ресурс, остается неясным, сможет ли регион Восточного Овейната поддерживать более масштабную централизованно орошаемую сельскохозяйственную систему. Дальнейшая оценка потребности в воде и стабильности этой сельскохозяйственной системы может быть проведена путем сочетания метеорологических параметров, таких как испарение, с индексами растительности, такими как LAI и NDVI, для инвертирования биомассы.

△ Рисунок 5. Карта распределения типов земельных участков фермы Ист-Оуэйнат, основанная на данных гиперспектрального дистанционного зондирования (2024 г.)

△ Рисунок 6. Карта распределения состояния посевов на участке фермы Ист-Оуэйнат, основанная на данных гиперспектрального дистанционного зондирования (2024 г.)

Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics CAS Aerospace Science and Technology Group Co.,LTD - Мониторинг типа и состояния земельных участков.

Для классификации типов землепользования и оценки состояния сельскохозяйственных культур на части фермы Ист-Оуэйнат мы использовали гиперспектральные изображения, полученные спутником XIGUANG-002 24 марта 2024 года.

Как показано на рисунке 5, в ходе фотосъемки были выявлены три основных типа участков: участки с высоким растительным покровом, которые в настоящее время обрабатываются, участки с темным почвенным покровом и участки со светлым почвенным/песчаным покровом. Эта карта распределения в основном иллюстрирует типы основных культур, выращиваемых в регионе, и ситуацию с севооборотом в разных районах. Мы также отметили, что некоторые участки в центральном и северном регионах, по-видимому, покрыты песком, демонстрируя спектральные характеристики, схожие с пустынями; в настоящее время неясно, является ли это временным залежем или постоянным заброшением.

На рисунке 6 показано распределение состояния растительности в этом районе. Этот индекс, состоящий из нескольких показателей растительности, всесторонне отражает состояние урожая на основе содержания хлорофилла, структуры растительного покрова и влажности. Следует отметить, что на некоторых участках, обозначенных темным цветом, отсутствуют соответствующие индексы состояния, что указывает на то, что эти участки полностью или частично покрыты темной почвой. В то же время большинство участков, находящихся в стадии нормального производства, имеют хорошее состояние, что свидетельствует об успешной работе централизованной ирригационной системы и высоких ожидаемых урожаях.

△ Рисунок 7. Сравнение спектральных кривых типичных типов участков на ферме Ист-Оуэйнат на основе гиперспектрального дистанционного зондирования (2024 г.)

Спектральные кривые на изображении выше иллюстрируют спектральные различия между различными типами землепользования, в основном используемые для различения областей с темным почвенным покровом и растительным покровом. Видно, что области с растительностью демонстрируют значительный эффект красного края в диапазоне 700-760 нм. На основе местоположения и наклона красного края можно рассчитать индекс красного края растительности для определения площади посевов и состояния посевов, что позволяет проводить более детальную классификацию.