The use of digital elevation models for detailed mapping of slope soils

Andriy Borisovich Achasov; Alla Oleksandrivna Achasova; Arkadiy Oleksandrivich Siedov

doi:10.26565/2410-7360-2019-50-06

Автор(и)

Andriy Borisovich Achasov Харківський національний аграрний університет імені В. В. Докучаєва, Україна https://orcid.org/0000-0003-2446-3707
Alla Oleksandrivna Achasova Національний науковий центр «Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О. Н. Соколовського», Україна https://orcid.org/0000-0002-6294-2445
Arkadiy Oleksandrivich Siedov Харківський національний аграрний університет імені В. В. Докучаєва, Україна https://orcid.org/0000-0003-0604-4015

DOI:

https://doi.org/10.26565/2410-7360-2019-50-06

Ключові слова:

ґрунт, карта, геоінформаційні системи, цифрова модель рельєфу, органічний вуглець, чорнозем, ксероморфноість, ерозія

Анотація

Останнім часом у світі тривають активні пошуки нових підходів до картографування ґрунтів. Традиційні методики ґрунтового картографування, які спирались переважно на результати польових обстежень, не відповідають вимогам сьогодення. Стаття присвячена питанню цифрового картографування ґрунтів на основі використання цифрових моделей рельєфу (ЦМР). На дослідному полігоні площею 5 га було проведено детальне польове ґрунтове обстеження в ході якого було закладено 7 розрізів та відібрано 56 зразків ґрунту з поверхні. За результатами БПЛА-зйомки була побудована ЦМР з просторовою роздільною здатністю 20*20 см. В дослідженнях був використаний методичний підхід до оцінки гідротермічних умов ґрунтоутворення шляхом геоінформаційного аналізу рельєфу. Для цього запропоновано використовувати коефіцієнт ксероморфності, який характеризує зміну гідротермічних умов для конкретної ділянки рельєфу порівняно з горизонтальною поверхнею. На основі ЦМР було побудовано моделі крутості схилів та їх експозиції. Надалі отримані моделі були перетворені у модель ксероморфності території, яка характеризує потенціал ґрунтоутворення досліджуваної місцевості. Аналіз даної моделі дозволив побудувати картограму потенційного вмісту органічного вуглецю в верхньому шарі ґрунтового покриву. В результаті порівняння даної картограми з картограмою фактичного вмісту органічного вуглецю була отримана кількісна оцінка ступеня деградації ґрунтового покриву та побудована детальна ґрунтова карта полігону. Отримана карта несе інформацію як про сучасний стан еродованих ґрунтів, так і про їхприродний потенціал. Встановлено, що середня втрата ґрунтами полігону органічного вуглецю внаслідок антропогенної деградації оцінюється у 5,1 кг на 1 т ґрунту.Застосування детальної карти, що побудована на вказаних методичних підходах дозволяє раціоналізувати господарське використання ґрунтів та оптимізувати заходи щодо їх реабілітації.

Біографії авторів

Andriy Borisovich Achasov, Харківський національний аграрний університет імені В. В. Докучаєва

д. с.-г. н., доцент

Alla Oleksandrivna Achasova, Національний науковий центр «Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О. Н. Соколовського»

к. біол. н., доцент

Arkadiy Oleksandrivich Siedov, Харківський національний аграрний університет імені В. В. Докучаєва

ст. викладач

Посилання

Obschesoyuznaya instruktsiya po pochvennyim obsledovaniyam i sostavleniuy krupnomasshtabnyih pochvennyih kart zemlepolzovaniay [All-Union instructions for soil surveys and compilation of large-scale soil maps of land use] (1973). M, Kolos, 94.

Tykhonenko D.H., HorinM. O., HeorhiA. O. ta in. (2001). Kartohrafiia gruntiv[Cartography of soils]: navch. posibnyk za red. D. H. Tykhonenka, vyd-vo Kharkivskyi derzhavnyi ahrarnyi universytet im. V.V.Dokuchaieva. Kharkiv, 321.

Achasov A.B. (2009). Gruntovo-heoinformatsiini zasady protyeroziinoi optymizatsii ahrolandshaftiv: teoriia i praktyka [Soil-geoinformation principles of anti-erosion optimization of agro-landscapes: theory and practice]: avtoref. dys. na zdobuttia nauk. stupenia dokt. sils. nauk: spets. 06.01.03 «Ahrogruntoznavstvo i ahrofizyka». Kyiv, 40.

Kostyichev P. A. (1949). Pochvyi chernozemno yoblasti Rossii, ih proishozhdenie i sostav [Soils of the chernozem region of Russia, their origin and composition]. M, Gos. izd-vo selskohoz. lit-ryi, 239.

Vyisotskiy G. N. (1906). Ob oroklimaticheskih osnovah klassifikatsiipochv [About the oroclimatic basis of soil classification]. Pochvovedenie,1, 1-18.

Demek Ya (1977). Teoriya sistem i izuchenielandshaftov [Systems theory and studied of landscapes]. Progress. M., 223.

Dzherrard A. Dzh. (1984). Pochvyi i formyirelefa [Soil and landforms]. Nedra. L., 204.

Furley P. (1971). Relationships between slope form and soil properties developed over chalk parent materials. Slopes, from and process. Ins. Br. Geograp. Spes. Publ, 3, 141-146.

Bishop, T.F.A., Minasny, B. (2005). Digital soil-terrain modelling: the predictive potential and uncertainty. In: Grunwald, S. (Ed.), Environmental Soil–Landscape Modeling: Geographic Information Technologies and Pe-dometrics. CRC Press, Boca Raton, FL, 185–213.

Aksoy, E., Özsoy, G. and Dirim, S.M. (2009) Soil Mapping Approach in GIS using Landsat Satellite Imagery and DEM Data. African Journal of Agricultural Research, 4, 1295-1302. http://www.academiciournals.org/iournal/AJAR/article-abstract/D00C9C238184

Ming, Z., Goosens, R. and Daels, L. (1993) Application of Satellite Remote Sensing to Soil and Land Use Mapping in the Rolling Hilly Areas. EARSeL Advances in Remote Sensing, 2, 34-44.

Dobos, E., Micheli, E., Baumgardner, M.F., Biehl, L. and Helt, T. (2000) Use of Combined Digital Elevation Model and Satellite Radiometric Data for Regional Soil Mapping. Geoderma, 97, 367-391. https://doi.org/10.1016/S0016-7061(00)00046-X.

Dobos, E., Montanarella, L., Negre, T. and Erika Micheli, E. (2001) A Regional Scale Soil Mapping Approach us-ing Integrated AVHRR and DEM Data. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 3, 30-42. https://doi.org/10.1016/S0303-2434(01)85019-4

Bell, J.C., Cunningham, R.L. and Havens, M.W. (1994) Soil Drainage Class Probability Mapping using a Soil-Landscape Model. Soil Science Society of America Journal, 58, 464-470. https://doi.org/10.2136/sssai1994.03615995005800020031x

Biggs, A., Slater, B. (1998). Using soil landscape and digital elevation models to provide rapid medium scale soil surveys on the Eastern Darling Downs, Queensland. In: Proceedings of the 16th World Congress of Soil Science. Montpellier, France.

Hammer, R.D., Young, N.C., Wolenhaupt, T.L., Barney, T.L. and Haithcoate, T.W. (1995). Slope Class Maps form Soil Survey and Digital Elevation Models. Soil Science Society of America Journal, 59, 509-519. https://doi.org/10.2136/sssai1995.03615995005900020034x

Bathgate, J.D., Duram, L.A. (2003). A geographic information systems based landscape classification model to enhance soil survey: a southern Illinois case study. Journal of Soil and Water Conservation, 58 (3), 119-127.

Schmidt, J., Andrew, R. (2005). Multi-scale landform characterization. Area 37, 341-350.

MacMillan, R.A.,Martin, T.C., Earle, T.J., McNabb, D.H. (2003). Automated analysis and classification of land-forms using high-resolution digital elevation data: applications and issues. Canadian Journal of Remote Sensing, 29 (5), 592–606.

Dobos, E., Daroussin, J.,Montanarella, L. (2005). An SRTM-based procedure to delineate SOTER Terrain Units on 1:1 and 1:5 million scales, EUR 21571 EN. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 55 .

Hengl, T., Rossiter, D.G. (2003). Supervised landform classification to enhance and replace photointerpretation in semi-detailed soil survey. Soil Science Society of America Journal, 67 (5), 1810–1822.

Moore, I.D., Gessler, P.E. and Nielson, G.A. (1993). Soil Attribute Prediction using Terrain Analysis. Soil Science Society of America Journal 57, 443-452. https://doi.org/10.2136/sssai1993.03615995005700020026x.

Gessler, P.E., Chadwick, O.A., Chamran, F., Althouse, L. and Holmes, K. (2000). Modelling Soil Landscape and Ecosystem Properties using Terrain Attributes. Soil Science Society of America Journal, 64, 2046-2056. https://doi.org/10.2136/sssai2000.6462046x.

Hammer, R.D., Young, N.C., Wolenhaupt, T.L., Barney, T.L. and Haithcoate, T.W. (1995). Slope Class Maps form Soil Survey and Digital Elevation Models. Soil Science Society of America Journal, 59, 509-519. https://doi.org/10.2136/sssai1995.03615995005900020034x.

Achasov A. B. (2006). K voprosu vliyaniya relefa na gumusirovannost chernozemov[To the question of the influ-ence of relief on the humus content of chernozem]. Pochvovedenie, 2006, 931–938.

McKenzie, N.J., Ryan, P.J. (1999). Spatial prediction of soil properties using environmental correlation. Geoderma, 89 (1–2), 67–94.

McBratney, A.B., Mendonça Santos, M.L., Minasny, B. (2003). On digital soil mapping. Geoderma, 117 (1–2), 3–52.

Kempen, B., Brus, D.J. and Stoorvogel, J.J. (2011). Three-Dimensional Mapping of Soil Organic Matter Content using Soil Type-Specific Depth Functions. Geoderma, 162, 107-123. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.01.010.

Ten Caten, A., Dalmolin, R.S.D., Pedron, F.A. and Mendonca-Santos, M.L. (2012). Spatial Resolution of a Digital Elevation Model Defined by the Wavelet Function. Pesquisa Agropecuaria Brasileira, 47, 449-457. https://doi.org/10.1590/S0100-204X2012000300018.

Yang, Ren-Min, Zhang, Gan-Lin, Yang, F., Zhi, Jun-Jun, Yang,F.,Liu, F., Zhao, Yu-Guo,Li, De-Cheng.(2016). Pre-cise estimation of soil organic carbon stocks in the northeast Tibetan Plateau. Scientific Report, 1-10. http://media.springernature.com/m685/nature-assets/srep/2016/160224/srep21842/pdf/srep21842.pdf.

Duarte de Menezes, M., Silva, S. H. G., de Mello, C. R., Owens, P. R., CuriN. (2018). Knowledge-based digital soil mapping for predicting soil properties in tworepresentative watersheds. Scientia Agricola, 75. http:// www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-90162018000200144.

Silva, S. H. G.,Owens, P. R., Silva, B. M., de Oliveira, G. C., Duarte de MenezesM., Pinto L. C., Curi N. (2015).Evaluation of Conditioned Latin Hypercube Sampling as a Support for Soil Mapping and Spatial Vari-ability of Soil Properties. Soil Science Society of America Journal, vol.79(2), 603-611. https://www.researchgate.net/publication/273521274_Evaluation_of_Conditioned_Latin_Hypercube_Sampling_as_a_Support_for_Soil_Mapping_and_Spatial_Variability_of_Soil_Properties.

Sindayihebura, A., Ottoy,S., Dondeyne, S., Van Meirvenne, M., Van Orshoven, J. (2017).Comparing digital soil mapping techniques for organic carbon and clay content: Case study in Burundi's central plateaus. Catena, 156, 161-175. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S034181621730125X.

Bulyigin, S.Yu., Achasov, A.B., Lisetskiy, F.N. (2012). Ispolzovanie integralnogo analiza dannyih distantsionnogo zondirovaniya i tsifrovyih modeley relefa pri kartografirovanii pochvennogo pokrova chernozemnoy zonyi [The use of integral analysis of remote sensing data and digital elevation models for mapping the soil cover of the chernozem zone]. Nauchnyie vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennyie nauki. https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-integralnogo-analiza-dannyh-distantsionnogo-zondirovaniya-i-tsifrovyh-modeley-reliefa-pri-kartografirovanii-pochvennogo.

Minasny, B., McBratney, A.B. (2006). A conditioned Latin hypercube method for sampling in the presence of ancil-lary information. Computers & Geosciences, 32 (9), 1378–1388.

Brus, D.J., Heuvelink, G.B.M. (2007). Optimization of sample patterns for universal kriging of environmental vari-ables. Geoderma, 138 (1–2), 86–95.

Moore ID, Gessler PD, Nielsen GA, Peterson GA (1992). Terrain analysis for soil-specific crop management. In proceedings book, A workshop on research and development issues, Minnesota Extension Service, 12-16 April, 27-57.

Bayramin I (2001). Using geographic information system and remote sensing techniques in making pre-soil survey. In proceedings book, 15th Int. symposium on desertification ISD. Soil Sci. Society of Turkey, 1317 June 2000, Konya, Turkey.

Lisetskiy F. N., ChepelevO. A. (2003).Klimaticheskaya obuslovlennost pochvoobrazovaniya v Tsentralnom Cher-nozeme [Climatic conditionality of soil formation in the Central Chernozem Region]. Vestnik VGU.Seriya: Geografiya i geoekologiya, 2003, 2, 15-23.

Shpedt A. A., Purlaur V. K., Mihaylenko N. V., Kuzmin P. V. (2004). Vliyanie mezorelefa na produktivnost zernovyih kultur i plodorodie chernozema Krasnoyarskoy stepi [The effect of mesorelief on the productivity of grain crops and fertility of the chernozem soil of the Krasnoyarsk steppe].Pochvovedenie, 10, 1228-1234.

Miller J. O., Galbraіth J. M., Danіels W. L. (2004). Soіl Organіc Carbon Content іn Frіgіd Southern Appalachіan Mountaіn Soіls. Soіl Scі. Soc. Am. J. 68:194, 203.

Chinilin A.V., Savin I.Yu. (2018). Krupnomasshtabnoe tsifrovoe kartografirovanie soderzhaniya organicheskogo ugleroda pochv s pomoschyu metodov mashinnogo obucheniya [Large-scale digital mapping of soil organic car-bon content with using machine learning methods]. Byul. Pochv. in-taim. V.V. Dokuchaeva, 91, 46-62, doi: 10.19047/0136-1694-2018-91-46-62.

Achasov A.B. (2008). Vykorystannia tsyfrovykh modelei reliefu pry doslidzhenni gruntovoho pokryvu [Use of digi-tal models of relief in the study of soil cover]. VisnykKhNAU. Ser. «Gruntoznavstvo, ahrokhimiia, zemlerobstvo, lisovehospodarstvo», 1, 157–159.

Siedov A.O. (2018). Mozhlyvosti vykorystannia BPLA serednoho tsinovoho sehmentu dlia kartohrafuvannia silskohospodarskykh resursiv [Possibilities of use of the UAVs of the average price segment for mapping of agri-cultural resources]. Visnyk KhNU imeni V.N. Karazkhina. Seriia «Ekolohiia», 18, 22-29.

Achasov A.B. (2006). DeyakI aspekti formalIzatsiyi gIdrotermIchnih umov gruntoutvorennya [Some aspects of the formalization of hydrothermal conditions of soil formation]. Visnik agrarnoyi nauki, 9, 17-21.

Achasov A. B. (2006). K voprosu vliyani yarelefa na gumusirovannost chernozemov [To the question of the influ-ence of relief on the humus content of chernozem]. Pochvovedenie, 9, 931-938.

Polupan M. I., Solovei V. B., Velychko V. A. (2005). Klasyfikatsiia gruntiv Ukrainy [Classification of soils of Ukraine]: za redaktsiieiu doktora silskohospodarskykh nauk M. I. Polupana. NNTs "Instytut hruntoznavstva ta ahrokhimii imeni O. N. Sokolovskoho, Kyiv.