Белорусская классификация землепользования на основе объектно-ориентированного извлечения

Примечание: Данный исследовательский проект был выполнен при поддержке Совместной программы исследований и сотрудничества Международного альянса научных организаций в рамках инициативы «Один пояс, один путь».

Предыстория проекта

Республика Беларусь, обычно называемая Беларусью, занимает территорию площадью 207 600 квадратных километров. Рельеф преимущественно равнинный, состоит из равнин и котловин, со средней высотой 160 метров. Юг представляет собой обширную низменность, центральная часть в основном состоит из равнин и невысоких холмов, а север и северо-запад немного выше, с некоторыми возвышенностями и холмами, самая высокая точка достигает 345 метров. Почва в основном лугово-подзолистая, за ней следуют болотистые и песчаные почвы; почва относительно плодородная, со средней продолжительностью вегетационного периода 184-208 дней. Водные ресурсы обильны, имеется множество рек и озер, всего 20 781 река, 12 250 озер и 153 водохранилища. Климат мягкий и влажный, классифицируется как умеренно континентальный, с теплым летом, дождливой осенью и влажной зимой. Средняя температура в январе колеблется от -4°C до -8°C, а в июле — от +17°C до +19°C. В низинах выпадает в среднем 500–650 мм осадков в год, а на равнинах и в высокогорьях — 650–750 мм. Обильные осадки и благоприятные природные условия делают этот район пригодным для сельскохозяйственного производства.

В 2012 году стоимость продукции растениеводства составила 30,47 триллиона белорусских рублей, что эквивалентно примерно 3,655 миллиардам долларов США (в среднем по годовому обменному курсу 1 доллар США: 8335,86 белорусских рублей), и составила 51,7% от общей стоимости сельскохозяйственной продукции.

△ Таблица 1. Посевные площади сельскохозяйственных культур в Беларуси, 2005–2011 гг. (Единица измерения: тысяча гектаров)

△ Таблица 2. Общий объем производства сельскохозяйственной продукции в Беларуси, 2005–2012 гг. (Единица измерения: тысяч тонн)

Технология спутникового дистанционного зондирования может использоваться для мониторинга состояния роста, урожайности, вредителей, болезней и стихийных бедствий сельскохозяйственных ресурсов. Беларусь обладает хорошо развитым сектором спутникового дистанционного зондирования, располагая обширными географическими информационными ресурсами по землепользованию и почвоведению, а также наземными спутниковыми приемными станциями. Хотя Беларусь характеризуется значительной неоднородностью почв и сложными типами землепользования, большинство из них уже обсуждались в исследованиях. Кроме того, средне- и высокоширотное расположение Беларуси минимизирует влияние облачности и осадков, что обеспечивает большой объем высококачественных изображений, доступных круглый год, и создает прочную базу данных для применения спутникового дистанционного зондирования.

Основной процесс проекта

Данный проект был выполнен при поддержке Программы совместного научно-исследовательского сотрудничества Альянса международных научных организаций (ANSO) в рамках инициативы «Один пояс, один путь». Подготовка и объединение данных проводились с использованием Sentinel Hub и Google Earth Engine. Обучающие выборки были размечены с использованием общедоступных наборов данных, публикаций и визуальной интерпретации. Затем для классификации и извлечения характеристик землепользования из сельскохозяйственных и лесных наборов данных использовался метод контролируемого обучения OBIA-RF (Object-Oriented Random Forest). Наконец, картирование и статистический анализ проводились с использованием программного обеспечения, такого как QGIS и ArcGIS. В сочетании с метеорологическими и почвенными данными была оценена экологическая ценность почвы.

△ Блок-схема объектно-ориентированной классификации землепользования

△ Карта типов почв Беларуси (Карачони, Давид. (2017). Беларусь на картах.)

Результаты проекта

Рисунок 3. Изменения лесного и пахотного земельного покрова в Беларуси, 2014–2023 гг.

Рисунок 4. Статистическая диаграмма изменений площади лесов и пахотных земель в Беларуси, 2014–2023 гг.

△ Рисунок 5. Статистическая диаграмма изменений площади лесов в различных регионах Беларуси с 2014 по 2023 год.

△ Рисунок 6. Статистическая диаграмма изменений площади обрабатываемых земель в различных регионах Беларуси с 2014 по 2023 год.

В целом, площадь лесов и пахотных земель в Беларуси ежегодно колеблется, но в целом остается стабильной, за исключением значительного сокращения площади лесов в Витебской области в 2020 году (рис. 4). Распределение площадей по регионам также в значительной степени оставалось стабильным. Как видно из рис. 5, площадь пахотных земель в Витебской области значительно увеличилась после 2021 года, что позволяет предположить, что сокращение площади лесов может быть связано с преобразованием сельскохозяйственных угодий. Следует отметить, что площадь лесов в Минской области также демонстрировала тенденцию к снижению после 2022 года, в то время как площадь сельскохозяйственных угодий показывала тенденцию к увеличению и относительно быстрый темп роста. Это может быть связано с тем, что Минская область расположена в административно-центральном регионе и имеет относительно развитую агропромышленность, а развитие крупномасштабного сельского хозяйства в последние годы привело к расширению сельскохозяйственных угодий.

Кроме того, в Гродно самые низкие площади лесов и пахотных земель, что, вероятно, объясняется более низкими температурами по сравнению с другими землями, более высоким уровнем осадков и стока, а также значительной долей гипостагнических ретисолей (стилтовых, клеевых) (рис. 2). Эти почвы имеют высокое содержание глины, что обычно влияет на дренаж и аэрацию, а также препятствует проникновению корней. В сочетании с высоким уровнем осадков это приводит к кратковременному или периодическому поверхностному заболачиванию. Временное насыщение влагой после дождя может негативно сказаться на росте растений и биологической активности почвы. Поэтому в земле низкие площади лесов и пахотных земель, а преобладают водно-болотные растительные сообщества и экосистемы.

Помимо ежегодной статистики площадей, она также позволяет анализировать межгодовые изменения площадей и очаги изменений. Предоставляя макростатистические данные, она дает подробную информацию об изменениях в целевых типах землепользования, обеспечивая объективные и эффективные ориентиры для разработки и реализации макро- и региональной сельскохозяйственной политики.