Сабина Грюнвальд

Современное состояние цифровой почвенной картографии:
методы, достижения, ограничения и подходы к их преодолению;
результаты региональных исследований
Даниил Козлов
Мария Конюшкова
3rd Global Workshop on Digital Soil Mapping at Utah State University,
30 September - 3 October 2008
ЦИФРОВАЯ ПОЧВЕННАЯ КАРТОГРАФИЯ
компьютерное производство цифровых карт почв и их
свойств. Ориентирует исследователей на использование
современных технических средств измерения первичной полевой
информации (GPS, полевые сканеры, лаборатории и др.),
использования информации о переменных (факторах) среды (ЦМР,
ДДЗ, геологические карты и др.), ее унифицированного хранения и
обработки методами пространственного анализа (ГИС, геостатистика,
ДЗ, математические и статистические модели).
DIGITAL SOIL MAPPING
the creation and population of spatial soil information
systems by the use of field and laboratory observational
methods coupled with spatial and non-spatial soil
inference systems (Alex MacBratney, 2008)
Hengl, T. 2003. Pedometric mapping: bridging the gaps between conventional and
pedometric approaches. PhD thesis,
1-й международный симпозиум
по ЦПК, Монпелье,
сентябрь 2004
1980-1993
1990 …
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Публикации ЦПК
пионерных
работ
(США,
Австралия,
Франция,
…)
• 2-й международный симпозиум
по ЦПК, Рио-де-Жанейро, июль
• Деловая встреча рабочей группы
ЦПК на WCSS в Филадельфии,
июль
• GlobalSoilMap.net
http://www.usyd.edu.au/su/agric/acpa/people/alex/AlexMcB.htm
http://www.usyd.edu.au/research/opportunities/supervisors/607
David Rossiter
Budiman Minasny
Maria L.
Mendonça-Santos
Philippe Lagacherie
Janis Boettinger
3rd Global Workshop on Digital Soil Mapping at Utah State University,
30 September - 3 October 2008
66 ДОКЛАДОВ 99 УЧАСТНИКОВ ИЗ 16 СТРАН
3rd Global Workshop on Digital Soil Mapping at Utah State University,
30 September - 3 October 2008
ТЕМАТИКА СЕССИЙ:
0
ПОЧВОВЕДЕНИЕ И ЦПК, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
1
ПОЧВЕННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЦПК
2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ПОЧВЕННОМ ОПРОБОВАНИИ И
ИНДИКАЦИОННЫЕ ПЕРЕМЕННЫЕ В ЗАДАЧАХ ЦПК
3
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЧВЕННЫХ СВОЙСТВ
4
МЕТОДЫ ЦПК И ОЦЕНКА НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ
5
ГЛОБАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПОЧВЕННЫЕ КАРТЫ
6
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЦПК
7
PROTOCOL AND CAPACITY BUILDING FOR MAKING DIGITAL SOIL
MAPPING OPERATIONAL
0
ПОЧВОВЕДЕНИЕ И ЦПК, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Альфред Хартеминк (Alfred Hartemink), ISRIC, Нидерланды
Soil are Back on the Global Agenda
В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ПОЧВЕННОЙ
ИНФОРМАЦИИ СТРЕМИТЕЛЬНО РАСТЕТ
ОБЩЕЕ ПАДЕНИЕ ИНТЕРЕСА К ПОЧВОВЕДЕНИЮ с НАЧАЛА 1980-х
• Конкурирующие организации
• Уменьшение финансирования на 31% с 1994 по 2005 годы
• Снижение интереса к сельскому хозяйству
• Не оправдавшиеся ожидания
ПРИЧИНЫ
«Педобарометрический индекс»
1950
сельское хозяйство
• Сдвиг интересов в сторону климата
• Недальновидность руководства
продовольствие
1970
• Число почвоведов: 20 в 1987 → 5 в 2008
1990
2005 - БЫСТРЫЙ РОСТ ВОСТРЕБОВАНОСТИ
• Число обращений к почвенной терминологии 1995
(HUMAN DEVELOPMENT REPORT 1990 – 2007)
• Общее число публикаций
• Предложения работы ↑
2008
«окружающая среда»
устойчивость
изменения климата
управление
продовольствие,
биотопливо, энергия
0
ПОЧВОВЕДЕНИЕ И ЦПК, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
Сабина Грюнвальд (Sabine Grunwald), университет Флориды
Обзор Публикаций по ЦПК
• 90 статей по ЦПК (Geoderma и др.)
• 14 критериев оценки исследования (данные,
методы, стоимость и т.п.)
1
ПОЧВЕННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЦПК
ОБСУЖДАЛОСЬ
• ПОЛЕВЫЕ ОПИСАНИЯ, КАРТЫ
• ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ
• КАЧЕСТВО
• СОПОСТАВЛЕНИЕ
ИНФРАСТРУКТУРА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ
ISRIC-WISE global soil profile dataset
EIONET - European Environmental Observation and
Information Network)
EuDASM - the European Digital Archive of Soil Maps
CSIRO - Австралия
The Harmonized World Soil Database 1km raster 1:1 000 000
e-SOTER project - September 2008 until February 2012
www.iiasa.ac.at/Research/LUC/luc07/External-World-soil-database/HTML/index.html
1
ДОСТУПНЫЕ ПОЧВЕННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЦПК
http://soildatamart.nrcs.usda.gov/StatusMap.aspx
National Soil DataBase (NSDB)
• 6500 описаний (1 описание на 1400 км2)
• + региональные базы данных
• систематические описания
• дополнительные массивы описаний в
рамках тематических проектов
(геохимия и т.п.)
• низкая плотность данных, проблема
сопоставления/совместимости
• разнобой содержания, масштабов,
форматов крупномасштабных карт
• электронная национальная почвенная
карта 1:1 000 000 – CanGIS, постоянно
совершенствуется (SLC v3.2)
http://sis.agr.gc.ca/cansis/nsdb/index.html
SOIL LANDSCAPES OF CANADA
КИТАЙ
• масштабные почвенные исследования
• серия национальных карт 1:14 000 000 –
1:500 000
• растровые карты 10 км, 5 км, 2 км
• цифровые карты почв и почвенных свойств
• 12 000 почвенных профилей
• две системы почвенной классификации
• генетическая СССР (GSCC) – основная
• таксономическая (CST) – перспективная
• карта 1:1 000 000 в CST
БРАЗИЛИЯ
• SIGSOLOS - the Brazilian Geo-referenced Soil Information System
• национальная почвенная карта 1:5 000 000
• для отдельных штатов 1:250 000
• 2600 почвенных профилей
• плохое качество атрибутивной и пространственной
информации
ГОЛЛАНДИЯ
• более 16 000 почвенных профилей
• детальные картографические материалы: ЦМР, история
землепользования, гидрогеология и др.
ДАНИЯ
• более 10 000 описаний
• более 10 000 в ближайшие 2 года по единой программе
(запасы почвенной органики)
• национальная карта 1:50 000
НОВАЯ ЗЕЛАНДИЯ
• национальная карта 1:250 000 (1954 -1968)
• составляют методами ЦПК карты 1:50 000
АВСТРАЛИЯ, КОЛУМБИЯ, ИНДИЯ - …
2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ПОЧВЕННОМ ОПРОБОВАНИИ И ИНДИКАЦИОННЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ В ЗАДАЧАХ ЦПК
Сабина Грюнвальд (Sabine Grunwald), университет Флориды
Обзор Публикаций по ЦПК
ТОЛЬКО 10% ИССЛЕДОВАНИЙ ПОСВЯЩЕНО
РАЗВИТИЮ НОВЫХ МЕТОДОВ, БОЛЬШИНСТВО
РАБОТ – ПРИМЕНЕНИЕ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ
НА НОВЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ПОЧВЕННОМ ОПРОБОВАНИИ И ИНДИКАЦИОННЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ В ЗАДАЧАХ ЦПК
КАКИЕ ПОЧВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ В МОДЕЛЯХ?
Цель
исследования
Почвенные
характеристики
Изменение климата почвенный углерод
N, P, K и др.
Изменения среды
тяжелые металлы
• засоление
• подкисление
Деградация почв
• эрозия
• классы почв
Почвенное
• грансостав, плотность,
картографирование влажность
%
28
24.4
8.9
7.8
40.0
ОБЪЕКТ ИЗМЕРЕНИЯ и МОДЕЛИРОВАНИЯ, ПОЛЕВЫЕ ДАННЫЕ
• обычны измерения только в верхнем горизонте почвы
• 27.7% исследований – разные слои
• фиксированные глубины чаще чем диагностические горизонты
• 1 статья – 3D представление почвы
2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ПОЧВЕННОМ ОПРОБОВАНИИ И ИНДИКАЦИОННЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ В ЗАДАЧАХ ЦПК
ИНДИКАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ, ФАКТОРЫ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ
ENVIRONMENTAL COVARIATES, CLORPT …
Сабина Грюнвальд
S
C
O
R
P
A
N
ФАКТОРЫ
56
11
28
26
10
+1
?
%
23% -Полевые сенсоры
12% - электромагнитное излучение
9% - электрокондуктивность (ECa)
1% - магнитометрия (Mag)
17% - ДДЗ → (S, O, P)
Докучаев, 1898, Глинка, 1912,
Jenny, 1941, McBratney, 2003
2
НОВЫЕ ПОДХОДЫ В ПОЧВЕННОМ ОПРОБОВАНИИ И ИНДИКАЦИОННЫЕ
ПЕРЕМЕННЫЕ В ЗАДАЧАХ ЦПК
ЧТО НОВОГО?
• латинский гиперкуб (cLHS) – обоснование
положения и количества точек полевого
опробования по набору индикационных основ
(развитие идеи McBratney, 2003)
• динамические структуры как характеристика
почвенных свойств (A-Xing Zhu)
• возраст почвы как scorpAn фактор (на основе
геоморфологического анализа, Jey S. Noller)
• разномасштабный анализ рельефа, как
проблема влияния пространственного
разрешения и размера скользящего квадрата
на вычисляемое значение характеристики
рельефа (Thorsten Behrens, Zhu)
• Новые морфометрические характеристики
рельефа
Evar
cLHS
3
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛЕВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПОЧВЕННЫХ СВОЙСТВ
1. Мировая библиотека почвенной спектрометрии
• proximal soil sensing (PSS), Dr. Raphael Viscarra Rosse
•
•
•
•
вертикальный отражательный профиль
Vis-NIR +midIR диапазоны
разнообразие почв мира
с апреля 2008 года 40 участников из 27 стран
2. Полевое почвенное спектрометрирование
• Содержание глины, углерода (США, Дания)
• Углерод R2=0.23 (поле), R2=0.56 (лаборатория)
• Глина R2=0.12 (поле), R2=0.23 (лаборатория)
• Возможно, но только для контрастных территорий
3. Электромагнитная индукция (EMI)
• Почвенно-гидрологические параметры
4. ГЕОРАДАРНЫХ исследований НЕ БЫЛО !?!
4
НОВЫЕ МЕТОДЫ ЦПК И ОЦЕНКИ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ЧТО ОБСУЖДАЛОСЬ?
• сравнение возможностей разных методов на одних данных
• поиск гибридных методов: кригинг + линейная регрессия, +
нейронные сети, + классификация с обучением,
• оценка информативности переменных SCORPAN
• точность результатов (верификация, кросс-верификация)
• оценка неопределенности - uncertainty (разные метрики)
Сабина Грюнвальд
МАТЕМАТИКИ VS ПОЧВОВЕДОВ?
Сабина Грюнвальд
Сложность
количественных
методов
всесторонние, 5
комплексные
6
1
1
1
4
6
4
2
2
3
3
2
10
4
4
10
2
5
2
1
5
7
1
2
1
очень
простые
1
1
2
3
10
4
5
всесторонние,
комплексные
Сложность
почвенных
интерпретаций
полученных
отношений
Сабина Грюнвальд
ПРОВЕРКА ТОЧНОСТИ
СХЕМА ПРОВЕРКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЦПК
ДАННЫЕ ПОЧВЕННОГО ОПРОБОВАНИЯ
ПРОВЕРКА
819 точек
РЕЗУЛЬТАТА
ОБУЧАЮЩАЯ ВЫБОРКА
ПРОВЕРКА
614 точек
МОДЕЛИ
205 точек
130 точек
6
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЦПК
• информационные средства хранения и визуализации
результатов ЦПК (terraGIS)
• приложения ЦПК:
• ветровая эрозия,
• биохимические циклы элементов
В ОБСУЖДЕНИИ
• стандартизация результатов ЦПК vs адаптация к
конкретным целям и задачам
• Как вести диалог с пользователем: предоставлять
доступную информацию (проинтерпретированную),
неопределенность (uncertainty)
7
PROTOCOL AND CAPACITY BUILDING FOR MAKING
DIGITAL SOIL MAPPING OPERATIONAL
Сабина Грюнвальд
ТЕНДЕНЦИИ:
↓ Снижение стоимости полевого опробования
+
↑ Повышение стоимости компьютерной обработки
РЕАЛЬНОСТЬ
методический поиск < ЦПК < методика
В государственных службах (USDA-NRCS)
используются методы НЕ «цифрового» почвенноэкосистемного картографирования
КАКУЮ ВЫГОДУ ДАДУТ МЕТОДЫ ЦПК В
ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ РАБОТЕ ???
ЭКОСИСТЕМНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ
ЛЕСНОГО РАЙОНА КАРИБУ БРИТАНСКОЙ
КОЛУМБИИ, КАНАДА: РЕЗУЛЬТАТЫ,
УРОКИ И ПОЛЬЗОВАТЕЛИ
4 года – 4 специалиста – 8.2 млн га –
– 2.8 млн $ – 0.34 $/га
Стоимость $3.50/га → $0.20/га.
Скорость картирования 150,000 → 2 млн га/чел*год
Точность – 69%
ПРИНЦИПЫ И УРОКИ:
1. Четкая схема исследования и формулировка
понятия успех
2. Результат/средства
3. Командная работа
4. Максимальная простота рабочей модели
Боб МакМиллан (Robert MacMillan)
1:20 000
?
1900
2012
2008