Урожай из... космоса

Нет, не доросла еще Украина до того, чтобы доставлять с орбиты транспортными «челноками» урожаи традиционных или экзотических культур. Нам бы навести порядок на собственной плодородной земле! Поэтому ученые и практики время от времени задумчиво вглядываются в космическую бездну, где летают спутники. Именно с их помощью можно с точностью до центнера прогнозировать урожаи, до сантиметра — инвентаризовать площади сельскохозяйственных угодий, постоянно осуществлять их мониторинг...

О методах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) как третейском судье вспомнили в прошлом году, когда Украина не получила запланированный урожай зерновых. Зоркий «глаз» спутника вряд ли допустил бы такие погрешности, подсчитывая нажин.

Вспомнили, подискутировали и... успокоились. До очередного коллапса?! Вместе с тем развитые страны давно уже заставили космос работать на аграрный сектор. Украине же, мощному сельскохозяйственному государству с собственной национальной космической программой, похвастаться в этой области ничем. И вряд ли возможен какой-то прогресс, если мы и в дальнейшем будем рассматривать космический инструментарий в сфере АПК как излишество, а не как элемент национальной продовольственной безопасности.

Ключ на старт!

Советский Союз умел из космоса профессионально шпионить. На мирные апогей и перигей мы перешли не без помощи американцев, которые задолго до жатвы спрогнозировали валовой сбор зерновых в СССР. Расхождение с реальными намолотами составило всего миллион тонн. Конечно, живые заокеанские разведчики не шныряли по нашим полям, не разминали колоски и не считали в них зернышки. Это спутники периодически сканировали союзную пшенично-ржаную ниву в разные фазы ее развития, и на основании многочисленных показателей специалисты вывели почти точную цифру.

Говорят, Алексей Косыгин, тогдашний председатель Совета министров СССР, очень расстроился, что секретная информация так нагло «засветилась», став достоянием мировой общественности. За оглаской маячили и возможная потеря продовольственных рынков, и непредсказуемое поведение торговых партнеров. После «прокола» Алексей Николаевич обязал соответствующие министерства и ведомства параллельно с космической разведкой разработать и «гражданские» программы.

Агрономы, биофизики, оптики, радио- и теплофизики, картографы, системотехники объединили свои усилия для того, чтобы превзойти американцев. Одни вели наземные наблюдения, другие следили через иллюминатор самолета за этапами органогенеза сельхозкультур, третьи дешифровали космические снимки, а все вместе стремились заполнить пространство между космосом и колосом приемлемым алгоритмом. Воздадим должное пионерам: отдельные наработки действительно достойны кандидатских и докторских диссертаций. Но совокупной, целостной системы ни Косыгин, ни его преемники так и не увидели.

Впервые о методах дистанционного зондирования Земли в независимой Украине всерьез заговорили в 1993—1994 годах. Во время первого официального визита Леонида Кучмы в США состоялись переговоры в рамках комиссии Кучма—Гор. Тогда и было принято решение создать в Украине независимый, неправительственный институт, который бы занимался проблемами менеджмента земли и ресурсов, применяя для этого методы ДЗЗ. Месяцы переписки, согласований на межгосударственном уровне... Но вместо этого в 1997 году согласно указу Кучмы при Совете Национальной безопасности и обороны Украины основывают правительственное учреждение — Украинский институт исследований окружающей среды и ресурсов (УИОСиР). И уже при нем создают небольшой центр — менеджмента земли и ресурсов со статусом международной ассоциации, который непосредственно и занялся дистанционными методами.

Это при том, что уже функционировал Центр аэрокосмических исследований Земли (ЦАКИЗ), созданный в НАН Украины в 1992 году. Фундаментальная тематика здесь неразрывно связана с прикладной, в частности в сельскохозяйственной отрасли. «Аграриями» стали Галина Жолобак, кандидат биологических наук, и Алексей Сахацкий, кандидат геолого-минералогических наук, которые адаптировали технологии инвентаризации посевов, прогнозирование урожая в Киевской области. Кстати, Центр — первая украинская организация в сфере ДЗЗ, которая гордится членством в Европейской ассоциации лабораторий дистанционного зондирования, тесно сотрудничает с Европейским космическим агентством, коллегами из Германии и Франции.

Ищет себя в этом сегменте и днепропетровское государственное предприятие «Днепркосмос», раньше работавшее только на «оборонку». Есть еще несколько толковых индивидуалов, которые из-за отсутствия финансирования работ по ДЗЗ в Национальной академии наук разбежались по разным учреждениям и заведениям. Николай Кобец еще в 1988 году защитил кандидатскую по тематике ДЗЗ, долгое время работал в институтах физиологии растений, ботаники, ЦАКИЗ. Нынче как аналитик ооновской программы в Украине «Аграрная политика для человеческого развития» помимо довольно широкого круга вопросов занимается и проблемами информационной поддержки агробизнеса и внедрения новейших технологий, коими являются дистанционное зондирование и географические информационные системы.

Вот, в сущности, и все фигуранты, понимающие толк в ДЗЗ как инструменте технологий нового уровня. Не разгонишься...

Как «скрестить» космическое и земное?

Украинские «дистанционщики» не кормят правительство многочисленными прожектами, но и власть пока определенно не продекларировала: а что же она в конце концов хочет получить от тандема космос—земля в сугубо аграрном контексте? Не имея четкого ориентира, творческие коллективы занимаются тем, на чем более или менее набили руку. Но без надлежащей координации дублируют друг друга, а то и допускают досадные ошибки. Чтобы не подрывать реноме, опущу название уважаемой структуры, специалисты которой сплоховали на престижной международной конференции «Зерновая индустрия-2004».

Используя космические снимки, технические специалисты упрямо доказывали, что на двух полях в Николаевской области растет озимая пшеница. Но на одном она, судя по биомассе, в хорошем состоянии, а на соседнем — в угнетенном. Когда же агрономы сравнили снимки с фотографиями полей, сделанными на земле, то выяснилось, что «технари» не разбираются в сортовых особенностях. Оба поля колосятся на славу, только одно из них засеяно... карликовой пшеницей. Вот вам и вся погрешность! А теперь экстраполируйте ее на просторы Украины! Я уже не говорю об очевидной сложности идентифицировать поля сахарной свеклы и овощей, спектральные характеристики которых по многим показателям совпадают с такими же характеристиками лесопосадок и зеленой растительности в оврагах.

— Чтобы разработать национальную систему ДЗЗ, незаангажированную, не ориентирующуюся на узкопрофильные прихоти, нужна консолидация усилий под крышей межведомственного органа, — убежден Вадим Лялько, директор ЦАКИЗ, член-корреспондент НАН Украины. — Собрать воедино наш Центр, Институт проблем национальной безопасности, Украинский центр менеджмента земли и ресурсов, центр «Держродючість», «Днепркосмос», Гидрометеоцентр, различные творческие группы... А куратором проблематики мог бы выступить Совет национальной безопасности и обороны. Не беда, что там нет соответствующих специалистов, зато он в состоянии создать научно-технический совет, убедить правительство выделить бюджетные средства на разработку обозначенной тематики, которая стала бы кирпичиком в форпосте продовольственной безопасности Украины.

Существующие модели позволяют связать урожайность со спектральными образами растительности на разных фазах вегетации, с апреля по июнь. Сопоставив космические снимки с многолетними данными 150 наземных точек агрометеослужбы, можно выделить типичные блоки — Полесье, Лесостепь и Степь, и прогнозировать урожайность в зависимости от обеспеченности этих зон влагой, от температуры, количества растений на квадратном метре и т. п. Чтобы подсчитать площади под озимой пшеницей или подсолнечником, нужен другой алгоритм. Если же речь идет об инвентаризации не посевов, а земель сельскохозяйственного назначения, то здесь уже необходимо оперировать космическими снимками с пространственным разрешением на местности в один-три метра. А это уже заступ за границу секретности: ниже десяти метров — ни-ни!

— Следует помнить, что у методов ДЗЗ, как и у всех остальных, с помощью которых получают информацию, есть свои преимущества и ограничения, — говорит Николай Кобец. — Потенциальных пользователей прежде всего интересует: насколько оперативно и с какой точностью дистанционные измерения предоставляют необходимую информацию и сколько это будет стоить? Все зависит от задачи. К примеру, для изучения состояния растительности на больших территориях лучше применять космические методы ДЗЗ, используя изображения со спутников NOAA (AVHRR), EOS AM-1 (MODIS), SPOT-5 (VEGETATION). Как правило, такие данные поступают достаточно оперативно (даже в реальном масштабе времени). Цена космоснимков доступна, некоторые из них можно получить бесплатно через Интернет. Если же речь идет об идентификации и определении площадей посевов сельскохозяйственных культур в масштабах определенного региона, то тут уже нужно использовать данные более «точных» спутников: Landsat (США), Terra (США—Япония), «Монитор-Е», «Метеор-3М» (РФ). Но такая информация менее оперативна (10—18 суток). Кроме того, чтобы обеспечить сплошное покрытие территории Украины съемкой с таких спутников, нужно закупать десятки космических снимков, которые не всегда можно сделать вовремя из-за высокой облачности.

Если Украина и отважится «пальпировать» агросферу методами ДЗЗ, то своими силами ей вряд ли это удастся. Прежде всего, из-за человеческого фактора. Кто придет на смену «оборонным» аксакалам? Ни один вуз не готовит специалистов по ДЗЗ в сельском хозяйстве. Не радует и техническая сторона дела. При Союзе существовала четкая специализация. Украина производила ракетные носители, Беларусь — приборы для дистанционных измерений, а Россия на мощных вычислительных комплексах обрабатывала космическую информацию. Сегодня же даже авиационную методику для определения содержания в растениях хлорофилла и уровня обеспеченности посевов азотным питанием, которая получила патент СССР и в разработке которой участвовал тот же Николай Кобец, невозможно применить из-за отсутствия белорусской аппаратуры. Возникает и вполне закономерный вопрос: а с чего фотографировать?

Улыбайтесь: вас снимают!

В рамках национальной космической программы на 2003—2007 годы, утвержденной законом Украины от 24 октября 2002 года, предусматривается запуск ряда отечественных природно-ресурсных космических аппаратов. В частности, в конце этого года стартует «Січ-1М». Возможность перенацеливания в широкой полосе охвата — 750 км, возможность получать информацию в оптическом, инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра делают ее основным эксплуатационным инструментом ДЗЗ. Запустив «Січ», специалисты смогут продолжить исследования, начатые с помощью украинско-российского космического аппарата «Океан-О», срок активного существования которого истек в 2002 году.

Впрочем, даже в случае эстафетного запуска чисто украинских или совместных многофункциональных спутников у специалистов невольно будут возникать «окна» — и из-за определенных орбитальных ограничений спутниковой системы, и из-за состояния атмосферы над территорией исследования. Однако при разработке методов тематической дешифровки спутниковой информации не обойтись без комплексного, синхронного проведения космических и наземных исследований. Пробелы можно восполнить фото с... чужих сателлитов. Конечно, не бесплатно.

Для изучения состояния растительности на региональном или национальном уровне используют космические снимки большой обзорности со спутников серии NOAA или SPOT-5 (VEGETATION) с невысоким пространственным разрешением на местности (размер одного элемента изображения — свыше 1 км). Разумеется, по ним не идентифицируешь посевную площадь озимой пшеницы в масштабах государства. Такие задачи по плечу другим спутникам, скажем, американскому Landsat-7, размер одного элемента изображения которого составляет около 30 м. Чтобы покрыть всю территорию Украины, нужно закупить и «слепить» около 50 фотоснимков. Стоимость одного — в пределах 600 долл.

Еще дороже — более 9 тыс. долл. — стоит «картинка» местности (16,5 х 16,5 км) со спутника QuickBird. На ней уже можно разссмотреть предметы величиной в полметра-метр. Такая детализация достаточна для технологий точного земледелия в Западной Европе, где размер земельных участков составляет 5—10 гектаров. Украина, к счастью, пока до такой мелкоты не опустилась. Поля, средний размер которых составляет 100 гектаров, можно обследовать со спутников Landsat, Terra, «Метеор-3М».

Есть и другой вариант, значительно более дешевый — авиационный. Легкомоторный самолет способен в течение часа провести съемки значительной площади. При этом стоимость обследования гектара составляет 15—20 центов. Кроме того, авиационные методы значительно более оперативны, чем космические: заказчик получает информацию в течение часа после облета.

Собственно, нашим специалистам, возможно, и не стоит прилаживать пятое колесо к телеге. В 90-х годах пять стран Евросоюза начали масштабную программу MARS — мониторинг сельского хозяйства с помощью методов ДЗЗ. Со временем к ним присоединились Чехия, Польша, Венгрия, которые тогда еще только мечтали о членстве в ЕС. Каждое государство оборудовало аграрные тестовые полигоны. Данные наземных исследований ученые и практики сопоставляли с космическими, изучали связь спектральных характеристик различных видов сельхозкультур, адаптировали имеющиеся методики к собственным агроклиматическим условиям. На это ушло пять-шесть лет. И только с 2001-го, поглотив десятки миллионов долларов, общеевропейская система MCYFS для прогнозирования урожайности сельхозкультур начала работать в операционном режиме.

Разумеется, бездумно перенеся наработки еэсовцев на территорию Украины, мы не добьемся желаемого эффекта. Необходимо адаптировать модель к нашим условиям, а потом уже интегрироваться в MCYFS. Но для этого нужна добрая воля Кабмина и, опять-таки, координирующая структура. К тому же еще и обширная информационная база, расставаться с которой государственные органы за «просто так» не спешат. Коммерциализация поглотила и их.

Высший пилотаж агротехнологий

Хорошо, правительство не разбирается в дистанционном зондировании Земли или медлит с его внедрением. Но неужели новым украинским терещенко после оксфордов и стэнфордов пристало определять будущий урожай пшенички на собственных или арендованных тысячах гектаров дедовским «ватерпасом» — на глаз? Есть у нас новаторы или нет?

…В городке Ньютон штата Айова агроном Дэвид Чаффин показал кукурузное поле, на котором советский руководитель Никита Хрущев вырванным стеблем кукурузы пугал тамошних поросят. Но, кроме исторического факта, меня заинтересовала параболическая антенна на офисе Дэвида, руководителя местной совещательной службы Extension, связанной с Айовским государственным университетом. Выяснилось, что местные фермеры пользуются космическими технологиями, в частности ДЗЗ.

Спутник с высоты сантиметр за сантиметром сканирует соевый или кукурузный клин. В зависимости от палитры цветов узнают о содержании азота, фосфора, калия, о кислотности почвы. И фермер получает химическую «картину» собственного поля. Потом закладывает картограмму в компьютер, руководящий агрегатами во время сева. При прохождении по полю специальная программа считывает космическое изображение, идентифицирует с реальной площадью и там, где встречаеются истощенные участки, через сошники автоматически обогащает их соответствующими минеральными удобрениями. Космическое обследование сельхозугодий проводят раз в четыре года.

Все больше айовских (и не только!) фермеров прибегают к таким услугам. Стремление как можно более полно использовать потенциал плодородия обусловлен недостатками однопольного севооборота. Традиционное кукурузосеяние вконец истощило землю. Рыночные перепады побуждали культивировать и сою: тандем растений спасает от полного банкротства. Вместе с тем он позволял восстанавливать и силу почвы. Для этого в Айове прибегли даже к парам: двадцать лет назад согласно государственной программе высокоэрозионные площади изъяли из обращения.

Со времени моего посещения аграрной Айовы прошло восемь лет. Точное земледелие, а именно с его элементами я столкнулся в Ньютоне, распространилось за океан. Но если американское правительство сделало космические технологии более-менее доступными для фермеров, то в Европе они остаются пока дорогим удовольствием. В Министерстве защиты прав потребителей, продовольствия и сельского хозяйства ФРГ не припомнили и десятка землевладельцев, объединивших земное начало с космическим.

В Украине желающих применять ДЗЗ еще меньше, чем в Германии. Два агрария, с Черкасщины и Кировоградщины, приходили в Центр аэрокосмических исследований Земли НАН Украины, интересовались наработками, примеряли к собственным потребностям. И хотя индивидуальный заказ стоит намного дороже, чем растиражированный для всех пользователей, визитеров не пугают финансовые затраты. Точное земледелие они связывают с сельскохозяйственным менеджментом, стратегией планирования, которые изучали за рубежом. Новаторов уже не устраивает средняя урожайность 35 центнеров на стогектарной площади. Ведь из-за неоднородности один край поля дает всего 25 ц/га, а второй — 45.

— Это связано с различиями в плодородии почвы, обеспечении питательными веществами, влагой, — Николай Кобец с помощью снимков со спутника Ikonos, демонстрирует пестроту показателей в пределах одного поля. — Технологии точного земледелия направлены на повышение производительности, уменьшение себестоимости продукции и сохранение окружающей среды. Этого добиваются с помощью целого ряда современных информационных технологий. Среди них главнейшими являются: технология оценки урожайности (Crop Monitor), позволяющая подсчитывать нажин с каждого участка поля; технология глобального позиционирования (Global Positioning System — GPS), когда определяются точные географические координаты каждого участка поля и местонахождение сельскохозяйственной техники и механизмов; технология так называемого сменного нормирования (Variable Rate Technology — VRT), когда в зависимости от ситуации на каждом отдельном участке поля выполняют (или опускают) необходимую технологическую операцию...

В прошлом году в России на базе АПК «Ильинка» создали специализированную систему современного сельскохозяйственного менеджмента, где широко применяют методы ДЗЗ. На 9 тыс. гектаров устройства фиксируют на каждом поле температуру почвы, приземного слоя и воздуха, скорость ветра, количество осадков и т. п. Специализированное программное обеспечение заполняет технологическую карту поля с момента сева до жатвы, выдавая экономические расчеты, справочную информацию. Сгусток данных упрощает управление, позволяет специалистам принимать адекватные решения и оперативно корректировать ситуацию на полях. Естественно, это приводит к экономии средств защиты растений, энергоносителей, поскольку задействованы сберегающие технологии, а в конечном итоге — к росту производительности, снижению себестоимости и повышению эффективности хозяйствования. При этом весь производственный цикл отслеживают документально, в электронной форме, что гарантирует высокое качество продукции.

К методам ДЗЗ начинают подбираться и страховые компании. Как подсчитать убытки, причиненные пшеничному полю градом? В применяемых нынче методиках заложены устаревшие подходы: специальные рамки и ручной подсчет погибших растений. Но сколько и как именно «набрасывать» эти рамки на поле, никто с уверенностью не скажет. Достоверную информацию можно получить с помощью... радиоуправляемой модели самолета. Оснастить ее цифровой камерой, сделать снимки и интерпретировать их. Что нужно? Средства! Ага, страховики разогнались...

Одни — не умеют, другие — не хотят, третьи — скряги, а четвертые — бедны как церковные мыши... Таково и наше сельское хозяйство, как на него ни посмотри: с земли ли, из космоса ли. Правда, с высоты просчеты видны, как на ладони, и можно оценить их масштабность. Два снимка, датированные 1989 и 2000 годом, сделаны со спутника Landsat. На них — воеводства Польши и западные области Украины. На более старом фото сельскохозяйственные земли соседей выглядят небольшими лоскутками, наши — крупными массивами. На свежем — в процесс парцелляции постепенно втягиваемся и мы, особенно это заметно вокруг населенных пунктов.

Видели ли эти снимки кабминовцы? Если мы раскрыли объятия земельной «лилипутии», то неподъемное уже сейчас дистанционное зондирование Земли вообще превратится в недосягаемого Гулливера.