ВВЕДЕНИЕ
В статье обсуждаются результаты гибридного моделирования биогеофизических характеристик растительного и почвенного покрова на примере орошаемого дождевальной машиной «Каскад» посева сои, расположенного на территории УНПО "Поволжье" Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова (Энгельский район Саратовской области).
С целью составления картограмм поливных норм, необходимых для реализации пространственно-дифференцированного дождевания [1,2], разработан метод гибридного моделирования потоков суммарного испарения ЕТа. Этот метод основан на расчетах картограмм потоков ЕТа по данным тепловой съемки аппаратурой Landsat 8 и MODIS. Сопоставление результатов расчетов с использованием разработанного гибридного метода с результатами расчетов по модели AquaCrop показал удовлетворительный характер.

ОБЪЕКТ
Объект исследований представлял собой выращенный засушливым летом 2021 г. на территории УНПО "Поволжье" Энгельского района Саратовской области орошаемый посев сои сорта Соер-7 (координаты центра поля:51°07'33.4"N 46°00'02.3"E). Территория УНПО "Поволжье" расположена на левом берегу р. Волги, в зоне сухих степей, характеризующихся континентальным климатом с суровой зимой и жарким в течение вегетации летом, с периодически повторяющимися атмосферными и почвенными засухами. Почвенный покров этой территории представлен в основном каштановыми почвами среднесуглинистого механического состава, с разной степенью осолнцевания и промытости.
Орошение исследованного посева проводилось с конца мая по конец августа. дождевальной машиной (ДМ) «Каскад» кругового действия, разработанной в СГАУ им. Н.И Вавилова. За этот период было проведено 9-ть поливов, продолжительностью 2-4 дня, нормами от 120 мм до 200 мм с итоговой оросительной нормой 250 мм.

МЕТОД
Для решения задачи по моделированию биогеофизических характеристик исследованного посева орошаемой сои был использован гибридный метод. Этот метод основан на сочетании результатов оценок потоков суммарного испарения и влагозапасов почвенного покрова по одномерной модели AquaCrop [3,4,5] и пространственно-распределенной оценки модели METRIC [6,7]. Для моделирования по AquaCrop была проведена калибровка стандартной модели сои для сорта Соер-7, были использованы данные фенологических наблюдений посева, полевых измерений урожайности и биомассы, спутникового мониторинга развития проективного покрытия посева. Для оценки пространственного распределения суммарного испарения за вегетационный период по модели METRIC были использованы данные съемки LandSat 8 в оптическом (каналы 2-7) и дальнем ИК (канал 10) диапазонах спектра, период съемки 7-9 дней для изучаемого объекта. Для увеличения частоты оценок суммарного испарения и корректировки интерполяции части энергии, затрачиваемой на испарение, были использованы ежесуточные данные MODIS в видимом (продуктMOD09GA) и дальнем ИК (продукт MOD11A1) диапазонах спектра. Были использованы данные MODIS для одной точки, так как остальные точки больше выходили за пределы поля из-за крупного масштаба съемки. Расчёты по модели AquaCrop проводились в ПО MATLAB, а по модели METRIC–в ПО ГИС GRASS и QGIS с применением Python библиотек PyGRASS и PyQGIS, использованных для автоматизации процесса загрузки, предобработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), проведения расчетов и вывода результатов моделирования. В качестве входных данных в обоих моделях также были использованы ряды наземных метеоданных, зарегистрированных рядом расположенной полевой метеостанции марки Сокол-М в совокупности с метеоданными станции стандартной гидрометеорологической сети Саратов-Южный (WMO ID: 34178), а также даты и нормы проведенных поливов для модели AquaCrop.

РЕЗУЛЬТАТЫ
Полученные результаты расчетов по модели AquaCrop для периода с 09.05.2021 по 15.09.2021 выявили наличие в течении вегетации ряд периодов со значительным водным стрессом, что в итоге привело к оценке средней по полю урожайности соевых бобов 2,6 т/га, которая была близка к подтвержденной (2,5 т/га) при механизированной уборке урожая.
С использованием модели METRIC на основе данных 10-ти сеансов безоблачной съемки Landsat 8 для соответствующих моментов времени были получены картограммы оценок потоков актуального суммарного испарения ЕТа_inst-LandSat-METRIC (мм/час), каждая из которых включала 559 пикселов внутри кругообразного экстента, сформированного в результате дождевания дождевальной машиной «Каскад» кругового действия. Затем данные мгновенных расчетов суммарного испарения были приведены по модели METRIC к суточным значениям (ETa-Landsat-METRIC (мм/сут)).
Пространственный анализ рассчитанных картограмм выявил наличие пространственных паттерн, статистические и пространственные характеристики которых претерпевали изменения в течении вегетации. Средние значения потоков ЕТа-LandSat-METRIC на кругообразном экстенте орошаемого посева, рассчитанные по модели METRIC с использованием данных LandSat 8, в целом соответствовали значениям, рассчитанным потоков ЕТа-AquaCrop на соответствующие даты. Однако попытки проведения интерполяции во времени рассчитанных картограмм по модели METRIC в ряде случаев показала результаты, несоответствующие полученным по модели AquaCrop. Анализ этих случаев привел к выводу о возникновении неопределенностей интерполирования во времени, когда в период между двумя последовательными съемками Landsat 8 проводились поливы или выпадали осадки.
С целью поиска возможных вариантов улучшения результатов интерполяции в период между двумя последовательными безоблачными съемками за счет дополнительных данных были использованы результаты 52-х сеансов съемок аппаратурой MODIS. Результаты расчетов по модели METRIC на даты безоблачных съемок исследованного орошаемого посева соответствовали 3-м пикселам. В качестве расчетных значений потоков ЕТа_inst-MODIS-METRIC (мм/час) были приняты значения одного из этих пикселов, который имел наибольшее перекрытие кругообразного экстента. Также по модели METRIC были рассчитаны суточные значения суммарного испарения ЕТa-MODIS-METRIC (мм/день). Анализ этих расчетных значений в целом показал удовлетворительное соответствие одномоментным значениям потоков ЕТа-AquaCrop. В результате был сделан вывод о возможности использования результатов оценок потоков ЕТа-MODIS-METRIC для интерполяции картограмм потоков ЕТа-LandSat-METRIC между соседними безоблачными съемками.

ОБСУЖДЕНИЕ
Для оценки эффективности разработанного гибридного метода получения картограмм ETa-LandSat-METRIC был проведен анализ соответствующих результатов, полученных в результате расчета по данным соседних сеансов безоблачной съемки Landsat 8 и их последующей интерполяции во времени с учетом результатов расчетов ETa-MODIS-METRIC. В целом этот анализ показал улучшение соответствия профиля ряда среднего значения ETa-LandSat-MODIS-METRIC профилю ЕТа-AquaCrop для периодов, когда в период между соседними безоблачными съемками Landsat были проведены поливы и/или выпадали дождевые осадки.
Полученные результаты оценки гибридного метода свидетельствуют о перспективности его дальнейшего совершенствования, а также верификации, получаемых с его помощью результатов с использованием данных тепловой воздушной съемки с квадрокоптеров.

ВЫВОДЫ
1) Разработан гибридный способ получения картограмм потоков ETa-LandSat-MODIS-METRIC на основе обработки данных оптической и тепловой съемки аппаратурой LandSat и MODIS моделью METRIC.
2) Получены удовлетворительные результаты сопоставления профилей средних значений ETa-LandSat-MODIS-METRIC профилю ЕТа-AquaCrop, полученному в результате расчетов по модели AquaCrop.
3) Картограммы потоков ETa-LandSat-MODIS-METRIC могут быть использованы при формировании картограмм поливных норм при пространственно-дифференцированной технологии дождевания.