Построение агрономической ГИС

Демиденко Альберт Геннадьевич (ЗАО КБ «Панорама»)
В 1989г. окончил факультет прикладной математики Харьковского ВВКИУРВ им. Крылова Н.И., сфера деятельности – разработка программного обеспечения для геоинформационных систем, заместитель генерального директора по научной работе. Кандидат технических наук.

Слива Иван Владимирович (ООО «Агрокультура»)
Старший преподаватель кафедры почвоведения РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Сфера деятельности – разработка методики проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, управление проектированием и контроль создания электронных карт, внедрение методики в образовательный процесс университета. Генеральный директор.

Трубников Алексей (ООО «Агрокультура»)
Аспирант факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. Сфера деятельности – проведение комплексного анализа земель с применением ГИС-технологий, поставка оборудования для «точного земледелия», технический директор.

 

Для управления сельскохозяйственным предприятием, производящим продукцию растениеводства, необходима объективная информация о размерах и состоянии сельхозугодий. Большой объем пространственной и атрибутивной информации качественно можно обрабатывать и анализировать только при помощи специального программного обеспечения, учитывающего как пространственную привязку, так и специальные сведения о полях. Специализированные ГИС для сельского хозяйства в Европе и США уже давно не диковинка, а необходимый компонент системы комплексного управления хозяйством. В Российской Федерации ситуация несколько отличается, причем, не в лучшую сторону.

Такое состояние дел было обусловлено изменением системы информационного обеспечения сельхозпредприятий через ВИСХАГИ. В результате продолжительного застоя в данной отрасли сложилась ситуация, при которой сельхозпроизводители не имеют в своем распоряжении качественных картографических материалов, а уровень информационной подготовки специалистов хозяйства соответствует уровню 80-х годов прошлого столетия.
Имеющиеся в хозяйствах картографические материалы обычно неполны, в значительной степени устарели и не отвечают современным требованиям, предъявляемым интенсивными агротехнологиями к картографической основе.

Имеющиеся в хозяйстве картографические материалы можно условно разделить на три группы: землеустроительные, почвенные, агрохимические. Землеустроительные материалы представлены либо планами внутрихозяйственного землеустройства советского периода либо современными кадастровыми планами. Почвенные материалы представлены почвенными картами, составленными чаще всего 20-30 лет назад и картами агропроизводственных группировок почв. И те и другие, как показывает практика, отсутствуют в большинстве хозяйств. Агрохимические материалы представлены агрохимическими картограммами (содержания гумуса, подвижного фосфора, подвижного калия, рН) различной давности.

Отсутствие достоверной информации о состоянии полей, не позволяет принять выверенное решение об основной выращиваемой культуре и применяемой аграрной технологии ее возделывания.

Однако рыночные отношения, тем и хороши, что при возникновении потребности в каком-либо виде продукции, технологии или услуги, дает толчек к появлению организаций предлагающих соответствующую продукцию, технологию или услугу.

ООО «Агрокультура» и ЗАО КБ «Панорама» при научной поддержке специалистов РГАУ-МСХА им. Тимирязева ведут работы по созданию сквозной технологии создания и использования агрономической ГИС. В процессе работ отлаживаются процессы наполнения системы картографическими материалами, заполнения базы данных сведениями о показателях почв, фитосанитарном состоянии посевов, ввода сведений о предлагаемых агротехнологиях, выработки предложений по использованию ГИС в хозяйствах, обучения специалистов хозяйств, учебных и проектных организаций разработке и использованию ГИС в растениеводстве.

Рис. 1 Проект внутрихозяйственного землеустройства с экспликацией полей севооборотов

В полном варианте, агрономическая ГИС должна включать многослойную электронную карту хозяйства и атрибутивную базу данных истории полей, с учетом всех выполненных агротехнических мероприятий. Количество тематических слоев электронной карты зависит от сложности ландшафтно-экологических условий и уровня интенсификации агротехнологий (определяется по урожайности и количеству затрат на гектар). В общем случае электронная карта полей (см. рис.1) должна включать слои:

• мезорельефа (с показом мезоформ рельефа, форм склонов);
• крутизны склонов;
• экспозиции склонов (теплые, холодные, нейтральные);
• микрорельефа (с показом контуров с преобладанием тех или иных форм микрорельефа, имеющих агрономическое значение);
• микроклимата;
• уровня грунтовых вод, их минерализации и состава;
• почвообразующих и подстилающих пород;
• микроструктур почвенного покрова (почвенная карта);
• содержания гумуса в почве;
• обеспеченности подвижными формами элементов минерального питания растений и микроэлементами;
• значения рН почв;
• физических свойств почв;
• загрязнения тяжелыми металлами, радионуклидами и другими токсикантами;
• эродированности почв, эрозионной опасности и другим видам физической деградации (оползней, селей и др);
• переувлажнения и заболоченности почв, в том числе вторичного гидроморфизма, подтопления, мочарообразования и др.
• засоленности почв (типов и степени засоления);
• солнцеватости почв;
• растительного покрова с оценкой состояния естественных кормовых угодий;
• лесной растительности с оценкой состояния природных лесов и лесных насаждений;
• распределения полезных видов животных, птиц, полезных энтомофагов, оценкой их территориального влияния;
• фитосанитарного состояния посевов.

Систематизация имеющихся материалов, интеграция их с новыми данными, получаемыми сейчас, все чаще с использованием GPS/ГЛОНАС аппаратуры, необходимость обработки и анализа огромного массива данных о проведении технологических операций по каждому полю приводит к необходимости использования помимо геоинформационных систем (ГИС), применения программы для удобной работы с агрономической нформацией – агрономической ГИС (АгроГИС). АгроГИС требует полноты и отсутствия избыточной информации по каждому производственному участку для принятия управляющих решений. При создании АгроГИС было отдано предпочтение продуктам КБ «Панорама»: профессиональная ГИС Карта 2008 и специальная ГИС «Панорама-АГРО», обладающих вместе полным набором инструментов для решения подобного рода задач.

ГИС Карта 2008 используется для создания карт полей и первичного ввода информации в систему. Каждый слой электронной карты имеет связь с атрибутивной базой данных, содержащей соответствующую тематике слоя карты информацию по каждому контуру. Например, база данных карты микроструктур почвенного покрова содержит следующую информацию: номер контура; индекс почвенной комбинации; полное название почвенной комбинации; состав почв; генетическую характеристику почвообразующих пород и их гранулометрический состав; площадь контура.

Не качественный учет необходимых факторов, влияющих на эффективность сельскохозяйственного производства, приводит к непроизводительным затратам, снижению урожайности и качества продукции, поломкам дорогостоящей техники. На каждом земельном участке имеются как относительно стабильные, так и динамично изменяющиеся агрономически важные факторы. К первым относятся условия рельефа, почв, гидрогеологии. Ко вторым – текущая климатическая ситуация, фитосанитарная обстановка. ГИС «Панорама-АГРО» предназначена для информационного обеспечения процесса управления земледельческим предприятием, с учетом обеих факторов. Кроме того, данная программа имеет встроенный блок мониторинга техники хозяйства, что обеспечивает автоматизированный сбор сведений о проведенных агротехнических мероприятиях и позволяет оценить качество механизированных работ.
Агротехнологическое планирование включает в себя следующие виды работ:

• анализ потенциальных возможностей производственной деятельности хозяйств (кадров и земельных ресурсов) их текущей и потенциальной эффективности;
• обмер полей путем объезда по контуру с высокоточным GPS-оборудованием;
• составление структуры посевных площадей и севооборотов в формате векторной электронной карты;
• расчет потребности в технике и оборудовании;
• экономический анализ при минимальном и максимальном уровнях урожайности стабильно возможных для конкретных условий.

Электронные карты полей имеют общую проекцию и единую систему координат. В результате чего производится точная географическая привязка почвенных контуров, совмещение почвенных контуров с соответствующими им формами рельефа. Привязку начинают с гидрографической сети, овражно-балочного комплекса, зачастую дополняют дорожной сетью и другими объектами, которые хорошо выделяются на почвенной карте и картографической основе (см. рис.2).

Снимок КА Cartosat (разрешение 2,5 м). Хорошо видны солонцовые комплексы (светлые пятна), сильно ухудшающие качество земель и требующие химической мелиорации.	Снимок КА Ikonos (разрешение 1м). Отчетливо видна водно-эрозионная сеть.
Рис.2. Фрагменты космических снимков, используемых при составлении электронной карты полей

По данным космических снимков проверяют наличие элементарной почвенной структуры (ЭПС – «рисунка почв») на каждом выделенном на почвенной карте контуре. Компоненты ЭПС имеют разный тон изображения и создают своеобразный рисунок изображения по которому можно посчитать долевой состав компонентов. Компонентный состав определяют исходя из принадлежности территории к району почвенно-географического районирования и установления причины возникновения ЭПС (эрозия, солонцеватость почв и пр.) Для этого анализируют формы, размеры компонентов ЭПС, приуроченность ее к мезорельефу, генезис почвообразующих пород и другие сведения содержащиеся в литературных источниках и отчетах предыдущих изысканий.

Границы ЭПС корректируются по реальным границам форм и элементов рельефа. Путем взаимного наложения тематических слоев электронной карты полей формируется комплексная карта агроэкологических групп и видов земель, то есть элементарных ареалов агроландшафта (однородных участков), каждый из которых снабжается банком данных по всем параметрам.

В результате электронная карта полей (см. рис.3) содержит всю необходимую информацию для принятия проектных решений по размещению сельскохозяйственных культур, дифференциации технологий их возделывания при различных уровнях интенсификации производства, оптимальной организации территории с учетом ландшафтных связей, то есть формирования системы земледелия и агротехнологий.

Рис.3. Фрагмент электронной карты полей и атрибутивной базы данных в ГИС «Панорама-АГРО»

Эта информация необходима и зачастую достаточна также для проектирования животноводства, решения социально-экологических задач, то есть для разработки проекта внутрихозяйственного землеустройства (проекта сельскохозяйственного производства). Специалистам хозяйства предлагается удобный механизм не только для накопления данных, но и ведения истории полей с привязкой к году урожая. Средства анализа позволяют выполнять пространственные и логические запросы к данным, формировать выборки и отчеты. Накопление данных с привязкой к году урожая обеспечивает ретроспективный анализ информации, а средства трехмерной графики, ее наглядное представление (см. рис.4).

Рис.4. Фрагменты трехмерных моделей электронной карты полей