Использование геоинформационных систем в агропромышленном комплексе Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

A.Н. Власенко, В.К. Каличкин, Н.И. Добротворская СибНИИЗХим, Краснообск

B.В.Альт, О.Ф.Савченко СибФТИ, Краснообск

В.А. Середович, В.А. Калюжин СГГ А, Новосибирск

A.С. Тарасов СКОС, Баган

B.А. Солошенко СибНИПТИЖ, Краснообск Г.А. Сапожников, Б.И. Ивлев

Департамент науки, инноваций, информатизации и связи, Новосибирск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ

Современное сельскохозяйственное производство нуждается в инвентаризации природных, организационно-технологических и

экономических ресурсов, разработке новых систем хозяйствования вообще и земледелия в частности, способных обеспечить его устойчивое развитие.

Специфической особенностью объектов агропромышленного комплекса является их пространственная протяженность на поверхности земли, которая обусловливает неоднородность экологических условий, природно-экономических ресурсов и пространственно-временную нестабильность показателей производства. В производственном процессе агроному приходится сталкиваться с множеством проблем, таких, как: необходимость быстрой переработки обширной исходной информации о состоянии полей, динамичность агроклиматических факторов, острая ограниченность во времени, характерная для определенных периодов сельскохозяйственного производства, особенно в растениеводческой отрасли, слабая обеспеченность предприятия техническими и трудовыми ресурсами. Все это создает организационные трудности и зачастую влечет за собой неадекватность принимаемых решений.

Решение информационно емких задач, связанных с экологическими проблемами, оценками воздействий на окружающую среду, планированием рационального природопользования, мониторингом и др., традиционными методами затруднено тем, что в анализ вовлекаются данные из различных отраслей знаний, которые часто разнородны, несопоставимы и включают как статичные, так и динамические показатели. В связи с этим возникает необходимость создания советующих систем, позволяющих быстро оценить сложившуюся на местности ситуацию и принять оперативное оптимальное решение. Такая возможность в настоящее время существует благодаря появлению и внедрению в производственные сферы геоинформационных систем (ГИС), позволяющих использовать математические модели оптимизации землепользования.

Как известно, реализация природного потенциала территории может быть достигнута при более точном соответствии применяемых технологий агроэкологическим требованиям растений и эдафическим условиям

территории, что требует совершенствования системы землеустройства применительно к сельскому хозяйству. В развитых странах в настоящее время интенсивно развиваются системы прецизионного и точного земледелия, управляемого автоматически с использованием спутникового мониторинга и связи. В России активно развиваются адаптивно-ландшафтные системы земледелия (АЛСЗ), идущие на смену зональным системам земледелия, разработанным для целей плановой макроэкономики. Базой для АЛСЗ должны стать новые подходы к проектированию землеустройства. Одним из них является, на наш взгляд, создание на основе ГИС-технологий автоматизированного рабочего места (АРМ) агронома-землеустроителя.

В Сибирском отделении Российской академии сельскохозяйственных наук в содружестве с Сибирской государственной геодезической академией разрабатывается проект автоматизированного рабочего места (АРМ) агронома-землеустроителя и агронома-технолога, цель которого - создание системы поддержки при принятии управленческих решений.

Методология создания АРМ агронома-землеустроителя

Разработка и функционирование специальных программных средств основаны на создании и использовании банков данных пространственной и семантической информации, информационных моделей производственного объекта (поля, севооборота, хозяйства) и производственного процесса и, наконец, экспертных систем для решения оптимизационных задач.

Геоинформационная система для оперативной оценки текущей ситуации и принятия управленческих решений в системе АПК должна быть построена в соответствии со следующими принципами:

- Адекватность иерархической структуры ГИС организационной и технологической структуре хозяйства;

- Масштабируемость автоматизированной системы по числу рабочих мест и объему информации;

- Замкнутость и единство технологических процессов представления, обработки и анализа информации на всех уровнях иерархии системы;

- Открытость интерфейсов с внешними пользователями и источниками данных и совместимость программных продуктов.

При создании методики автоматизированного проектирования АЛСЗ и землеустройства необходимо учитывать следующие специфические для сельского хозяйства особенности создания и развития информационных систем:

- В настоящее время существует необходимость разработки новых систем земледелия, землеустройства и, в целом, природопользования, более полно учитывающих природные условия и организационно-технологические возможности хозяйства, максимально использующих его почвенноклиматический потенциал. Это требует создания интегрированной информационной системы, насыщенной знаниями для современного научнообоснованного решения задачи и обеспечивающей моделирование и

разработку систем землеустройства и землепользования, их внедрение, сопровождение и усовершенствование. Основа системы - картографическая информация о хозяйстве на базе ГИС-технологий с широко развитой структурой информационных слоев, непосредственно связанных со специализированными БД и ЭС;

- При создании системы поддержки принятия решений агронома-технолога необходимо учитывать неразрывную связь техники с биологическими объектами (почва, растение, продукция), для которых характерны непрерывность биологических процессов и цикличность получения продукции. Поэтому нужно создание информационных подсистем не только по агроэкологическим особенностям возделываемой культуры, восприимчивости ее к различным факторам, но и по правильному выбору и применению техники в той или иной ситуации или стадии развития растения. Кроме того, характерной чертой является большое разнообразие технологических процессов и операций при возделывании культуры, описание которых, как правило, приводится в громоздких технологических картах, неудобных для использования. Далее рекомендуется набор техники со своими, зачастую сложными и большими описаниями технологических настроек, технического обслуживания и ремонта. Для решения задачи нужна систематизация знаний по технологиям и объектам возделывания сельскохозяйственных культур, определение номенклатуры и вида информационных систем (БД, ЭС или др.) и обоснование структуры каждой из них.

Агрономические знания характеризуются значительным объемом разнородных, трудно формализуемых данных; для них присуща неполнота сравнительных данных, различный набор характеристик по аналогичным объектам. Для «электронного» представления (формализации) отдельных элементов знаний, из которых можно создать ту или иную систему, нужно применение практически всех возможных видов компьютерного отображения информации (текст, гипертекст, рисунки, карты, видео, изображения, анимация и др.) с привлечением соответствующих программных редакторов.

В основу создания методики проектирования АЛСЗ наиболее целесообразно положить концептуальное проектирование, которое предполагает постоянный учет информационных требований пользователей, обусловленных решаемыми задачами. В итоге формируется концептуальная модель данных, отражающая необходимые элементы знаний и отношения между ними. Технологическим решением данного принципа и является создание автоматизированного рабочего места агронома-землеустроителя и агронома-технолога.

Обобщенная структура АРМ агронома-землеустроителя

Структура АРМ состоит из трех основных блоков: 1) ГИС как аппаратно-программный комплекс для сбора, управления, анализа и отражения пространственно-определенных данных; 2) комплект БД с

первичной информацией о природных и производственных ресурсах объектов землепользования; 3) блок математического моделирования и оптимизационного выбора систем землепользования и земледелия (рис. 1).

ГИС-технологии

Картографический

раздел

Ландшафтнотерриториальный ______раздел_____

Агроэкологические

требования

растений

Комплект БД

БД

«Предшественники»

БД

«Ресурсосберегающие '

______талт-ттл тт<-чт->тттт\\

Нормативы затрат

Средние цены на продукцию

Оценка

потенциальной

продуктивност

Моделировани е систем землеустройст ва и земледелия

Карта типов земель

Оптимизационна я программа

Рис. 1. Обобщенная структура АРМ агронома-землеустроителя.

На первом этапе работы разрабатывалась структура проектируемой ГИС. Адаптация ГИС к задачам АПК и их функционирование в данной работе основаны на создании и использовании банков данных пространственной и семантической информации об объектах АПК.

База данных (БД) геоинформационных систем подразумевает наличие двух основных блоков: геометрического и атрибутивного. Геометрический блок ГИС создается путем оцифровки (введения в память компьютера) традиционно составленных карт (топографической, почвенной, эрозионной, геоботанической, землеустроительной и т. д.). К этим картам привязывается вся информация, собранная в атрибутивном блоке БД, поэтому она является

неотъемлемой частью ГИС. БД создается в рамках программного продукта ГИС-Мар1пйэ. Например, геометрический блок БД содержит электронную карту почвенного покрова хозяйства. Полями атрибутивной БД являются следующие основные показатели: мощность пахотного слоя, содержание гумуса, гранулометрический состав почв, степень кислотности, уровень питательного режима (содержание №К) и т.д. - всего более 30 признаков

(рис. 2).

С помощью

оверлейных операций (операции наложения двух и более информационных слоев) производится генерация новых

объектов. Геометрия созданного объекта и наследование семантической нагрузки определяется пользователем ГИС. Вновь созданными объектами являются элементарные

почвенные ареалы (ЭПА), элементарные почвенные структуры (ЭПС) и рабочие участки в пределах Рис.2. Отображение БД «Почвы»

пахотных угодий хозяйства.

Операции вычислительной геометрии заложены в стандартные функции ГИС-Мар1пАэ и применяются при определении площадей ЭПА, ЭПС и рабочих участков.

Установлено, что в большинстве хозяйств Новосибирской области отсутствуют современные карты (планы); топографические карты декомпозированы на ситуационные планы и рельеф; топографические и специализированные карты разнородны как по точности, так и по времени создания; сведения по агроэкологической обстановке в хозяйствах не систематизированы. Поэтому были разработаны требования к содержанию, точности и разнородности по времени создания ЦМТ, а также комплексная технология формирования и актуализации первичной ЦМТ.

Комплект БД содержит первичную информацию о природных и производственных ресурсах объектов землепользования, а также специализированные базы данных:

- БД «Агроэкологические требования сельскохозяйственных культур к условиям произрастания»;

- БД «Предшественники в ротации культур» со справочными данными по урожайности культур в виде поправочных коэффициентов на вынос, усвоение, содержание в органических остатках элементов питания и т.д.;

- БД «Ресурсосберегающие технологии выращивания

сельскохозяйственных культур» с учетом трех уровней интенсификации производства, содержащая регистр агротехнических приемов выращивания основных культур;

- БД «Нормативы затрат», включающая в себя данные по стоимости основных технологических операций, по оплате труда и т. д.

Блок математического моделирования и оптимизационного выбора систем землепользования и земледелия содержит несколько прикладных программ, ориентированных на решение следующих задач:

- Оценка продуктивности почв и рабочих участков применительно к различным сельскохозяйственным культурам;

- Оптимизация размещения культур и сортов с учетом комплексной агроэкологической характеристики земель, климатического потенциала;

- Расчет урожайности сельскохозяйственных культур в системе севооборота;

- Оптимизация технологической системы земледелия (приемов и способов обработки почв, доз и сроков внесения удобрений, применения средств защиты растений) с учетом материально-технических возможностей хозяйства и ценовой ситуации на рынке сбыта сельскохозяйственной продукции;

- Оптимизация машинно-тракторного агрегатирования для проведения конкретной технологической операции по критериям расхода горючесмазочных материалов и срока проведения операции;

- Оценка количества требуемых кормов для животноводческой отрасли хозяйства с учетом периода стойлового содержания КРС, структуры стада и т. д. для целей оптимального выбора и размещения посевов кормовых культур.

Обоснование выбора программных средств

В результате анализа программных средств установлено, что в основе формирования интерфейса пользователя (АРМ), целесообразно использовать комбинированный принцип, обеспечивающий сочетание программной среды визуального объектно-ориентированного программирования Delphi 6 и инструментальных программных средств для реализации интеллектуальной компьютерной системы, состоящей из баз данных, экспертных систем и виртуальных технологий.

Система Delphi 6 предназначена для быстрой и эффективной разработки различных приложений, включая приложения для работы с базами данных. Она имеет широкие возможности по созданию пользовательского интерфейса, широкий набор функций, методов и свойств для решения прикладных задач. В систему включены также удобные средства отладки.

Система обладает практически всеми возможностями современных СУБД. Она позволяет создавать приложения с помощью широкого набора инструментальных программных средств, визуально подготавливать запросы с БД, а также непосредственно писать запросы на языке SQL.

Среди инструментальных программных средств для реализации экспертных систем наиболее предпочтительны оболочки ЭС “Микросреда” и «Прецедент» (Москва), для БД - система “Гиперметод 3,5 ” (С.-Пб.).

Возможность интегрирования ГИС-технологии с другими

программными продуктами значительно расширяет область ее применения, открываются широкие возможности использования моделирования и экспертных систем, а также других современных систем искусственного интеллекта.

В рамках предлагаемого АРМ проводится оценка потенциальной урожайности сельскохозяйственных культур при возделывании их на конкретных участках. Эти оценки затем используются для идентификации урожайности культур на разных уровнях интенсификации земледелия. Осуществляется моделирование отдельных звеньев систем земледелия: разработка и выбор типов севооборотов, технологических операций, машинно-тракторных агрегатов, изменение границ производственных полей. Интеграция перечисленных блоков создает целостную компьютерную модель сельскохозяйственного предприятия с функцией оптимизации землеустройства и земледелия в зависимости от стратегии, принятой пользователем земли.

В заключение следует сказать, что реализация изложенной последовательности, с уточнением производственных, экологических и социальноэкономи-ческих функций землепользователя, позволяет провести более полную оценку земельных ресурсов и осознанно выбрать систему рационального землеустройства и земледелия, сочетающую высокую экономическую эффективность с экологической безопасностью.

На основе предложенных методов созданы два варианта АРМа - для ОПХ «Кремлевское» Коченевского района и ОПХ «Северо-Кулундинское» Баганского района Новосибирской области. Они установлены в хозяйствах и в настоящее время находятся в опытной эксплуатации.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Проблемы разработки АЛСЗ для хозяйств Сибири с использованием компьютерных технологий [Текст]/ В.К. Каличкин и др.// Соврем. проблемы земледелия и экологии: Сб. докл. междунар. научно - практ. конф. - 10-12 сент. 2002. - Курск: ВНИИЗиЗПЭ, * 2002. - С. 291 - 294.

2. Каличкин В.К. Методологические аспекты создания информационных систем в земледелии [Текст]/ В.К. Каличкин, О.Ф. Савченко // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов: Мат. междунар. научно-практ. конф. - 22-23 октября 2003 г. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибФТИ. - Новосибирск, 2003. - Ч.1. - С. 74-78.

3. Альт В.В. Информационные технологии и их роль для науки и практики [Текст]/

В.В. Альт // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов: Мат. междунар. научно- практ.

конф. - 22-23 октября 2003 г. / АСХН. Сиб. отд-ние. СибФТИ. - Новосибирск, 2003. - Ч.1. -

С.5-11.

4. Середович В.А. Проблемы картографического обеспечения территории

агропромышленного комплекса [Текст]/ В.А. Середович, В.К. Каличкин, В.А. Калюжин // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов: Мат. междунар. научно-практ. конф. - 2223 октября 2003 г. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибФТИ. - Новосибирск, 2003. - Ч.1. - С. 84-ВВ.

5. Красноусова С.К. Особенности построения интеллектуальной системы в

землепользовании [Текст]/ С.К. Красноусова, О.Ф. Савченко, Н.И. Добротворская // Интеллектуальные системы и технологии. Т. 3. - М.: МИФИ, 2003. - С. 193-194.

6. Добротворская Н.И. Обоснование структуры информационно-аналитической системы для агронома - технолога [Текст]/ Н.И. Добротворская, О.Ф. Савченко, Л.А. Колпакова // Информационные системы и технологии / Мат. междунар. научн. конф. - 2226 апр. 2003. - Новосибирск: НГТУ, 2003. - Т. 3. - С. 41.

7. Тарасов А.С. Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия

(опыт, схема) [Текст]/ А.С. Тарасов, Т.М. Бойко // Информационные технологии,

информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов: Мат. междунар. научно-практ. конф. - 22-23 октября 2003 г. / РАСХН. Сиб. отд-ние. СибФТИ. - Новосибирск, 2003. - Ч.2. - С. 56-60.

© А.Н. Власенко, В.К. Каличкин, Н.И. Добротворская, В.В. Альт, О.Ф. Савченко, В.А.

Середович, В.А. Калюжин, А.С. Тарасов, В.А. Солошенко, Г.А. Сапожников, Б.И. Ивлев,

2005