CC BY
261
doi: 10.24411/0235-2451-2020-10917
УДК 631.4
Возможности использования современных геоинформационных систем для агроэкологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения
И. Г. КОСТИН
Белгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»), ул. Победы, 85, Белгород, 308015, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили с целью сравнения различных географических информационных систем (ГИС), используемых в сельском хозяйстве. Для анализа были выбраны следующие ГИС: ExactFarming, Агросигнал, Геоаналитика.Агро, ArcGIS, Панорама (GIS Webserver AGRO, Панорама АГРО, комплект программ «АРМ агронома»), Агроэколог Онлайн. Сравнение проводили по таким параметрам, как удобство и понятность рабочего интерфейса, возможности, отличительные особенности, круг пользователей, необходимость установки на персональные компьютеры. Все ГИС нацелены на улучшение качества выполняемых работ и сокращения затрат рабочего времени. Интерфейс систем, как правило, удобный и понятный. Используется принцип модульного построения ГИС. ArcGIS и ГИС Панорама благодаря множеству различных модулей (редакторы карт, онлайн сервисы, специализированные настольные приложения), каждый из которых оптимизирован для конкретной работы или задачи, хорошо подходят для работы с векторными и растровыми данными, а также для решения задач мониторинга, но в большей степени рассчитаны на профессионалов. Для анализа данных пользователям подходит Геоаналитика.Агро, имеющая функционал по сбору данных из различных источников (метеостанций, космическим снимкам, введённым данным) их обработке и интерпретации в плане оценки интенсивности вегетации растений. ExactFarming и Агросигнал представляют собой автоматизированные рабочие места агронома, позволяющие вводить данные, вести историю полей, строить картограммы и использовать внешние источники данных, что открывает возможности для рационального использования ресурсов и принятия решений. Они могут стать наиболее востребованными среди землепользователей. ГИС Агроэколог Онлайн - единственная система с огромной базой агрохимических и почвенно-эрозионных данных, которые вводятся на месте получения. Также в системе реализованы функции, ориентированные непосредственно на агроэкологический мониторинг земель сельскохозяйственного назначения, поддержание плодородия почвы и формирование различной отчетности. Вместе это создает предпосылки для приоритетного использования ГИС Агроэколог Онлайн органами управления отраслью. Ключевые слова: геоинформационная система, картограмма, мониторинг. Сведения об авторах: И. Г. Костин, аспирант (е-mail: Hacker-100788@yandex.ru).
Для цитирования: Костин И. Г. Возможности использования современных геоинформационных систем для агроэкологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 9. С. 96-105. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10917.
Possibilities of using modern geoinformation systems for agroecological monitoring of agricultural land
I. G. Kostin
Belgorod State National Research University (NRU "BelSU"), ul. Pobedy, 85, Belgorod, 308015, Russian Federation
Abstract. The purpose of the study was to compare different geographic information systems (GISs) used in agriculture. For analysis, we selected the following GISes: EXactFarming, Agrosignal, Geoanalitika.Agro, ArcGIS, Panorama (GIS WebServer AGRO, Panorama AGRO, and Workstation of an Agronomist software package), and Agroecologist Online. We compared parameters such as convenience and clarity of the working interface, capabilities, distinctive features, range of users, and need for installation on personal computers. All GISes are aimed at improving the quality of work performed and reducing the cost of working time. The interface of the systems is usually user-friendly and intuitive. The GISes are based on the modular construction principle. ArcGIS and GIS Panorama combine many different modules (map editors, online services, specialized desktop applications), each of which is optimized for a specific job or task. That is why they are well suited for working with vector and raster data, as well as for solving monitoring tasks, but this is rather professional software. Geoanalitika.Agro is suitable for data analysis since it allows collecting data from various sources (weather stations, satellite images, input data), processing and interpreting them in terms of assessing the intensity of plant vegetation. Exact Farming and Agrosignal are agronomist workstations that allow entering data, keeping field records, building cartograms, and using external data sources that provide opportunities for efficient use of resources and decision making. They can become the most demanded among land users. GIS Agroecologist Online is the only system with a huge database of agrochemical and soil erosion data, which are entered at the point of receipt. The system also allows monitoring agroecological state of agricultural lands, maintaining soil fertility, and generating various reports. Together, this creates the preconditions for the priority use of the GIS Agroecologist Online by industry governing bodies.
Keywords: geographic information system; cartogram; monitoring.
Author Details: I. G. Kostin, post graduate student (е-mail: Hacker-100788@yandex.ru).
For citation: Kostin IG. [Possibilities of using modern geoinformation systems for agroecological monitoring of agricultural land]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020;34(9):96-105. Russian. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10917.
Термин геоинформационная система (ГИС) имеет в литературе множество различных определений и толкований [1, 2]. Мы рассматриваем современную ГИС как набор технических, программных и информационных ресурсов, которые обеспечивают ввод, хранение, обработку, математическое и картографическое моделирование, а также графическое представление данных с географической привязкой, позволяющих выполнять
их совмещение с данными из различных источников (данные метеостанций, агрономов, внешних сервисов, спутниковые снимки и др.) [3, 4]. Следует отметить, что современные географические информационные системы способны гибко объединять данные из различных источников, масштабов и форматов [5].
На сегодняшний день сельское хозяйство - отрасль, в которой образуется наибольшее количество данных с
географической привязкой из различных источников, к числу которых относятся сельскохозяйственная техника, спутники и беспилотники, метеорологические станции, результаты сплошного агрохимического мониторинга почвы и др. Сведения, которые поступают из этих источников, можно использовать для прогнозирования и повышения урожайности, экономии времени и ресурсов, мониторинга плодородия почвы, принятия решений органами управления агропромышленным комплексом (АПК) [6].
Эти данные достаточно разнородны. Наиболее эффективный метод их синтеза - картографический в сочетании с автоматизацией процессов обработки информации. Кроме того, такие сведения необходимо каким-то образом обрабатывать, хранить, анализировать, редактировать, а их объем постоянно увеличивается. Сегодня существуют географические информационные системы, удовлетворяющие перечисленным требованиям, например, Агс01Б, Мар1^о Ргс^еввюпа!, ГИС Панорама, ГИС Агроэколог Онлайн [7].
Поэтому в отрасли получают всё более широкое распространение геоинформационные системы, позволяющие выполнять все перечисленные действия, среди которых можно выделить такие наиболее значимые, как ведение книги истории полей, мониторинг показателей плодородия почвы и других параметров сельскохозяйственного производства [8, 9].
В то же время использование одной ГИС в отрасли по всей стране не всегда целесообразно и возможно, в связи с востребованностью информации на различных уровнях от отдельного землепользователя до федеральных органов власти, которым необходимо решать разные задачи. Поэтому у каждой ГИС есть свои отличительные особенности, направленные на решение каких-либо определенных задач. Например, у землепользователей будут сильнее всего востребованы функции ГИС, позволяющие корректировать дозы внесения удобрений, что увеличивает эффективность производства [10]. Работникам агрохимической службы ГИС позволяет оперативно обрабатывать и анализировать данные, готовить различную отчетную документацию [11, 12]. На уровне регионов и страны в целом геоинформационные системы дают возможность эффективно и быстро решать следующие задачи: выбор направления и проверка целевого использования земель сельхозназначения; примерный расчёт урожайности выращиваемых культур; учёт работ по повышению плодородия; проверка конечной информации, вносимой специалистами [13].
Цель исследования - сравнение различных географических информационных систем (ГИС), применяемых в сельском хозяйстве, с разработкой некоторых рекомендаций по их использованию в рамках проекта НОЦ «Инновационные решения в АПК».
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи: выбрать популярные ГИС, используемые для агроэкологиче-ского мониторинга земель; изучить и дать краткое описание каждой из них; выявить лучшие способы реализации функционала; оценить функционала выбранных ГИС и
возможности их применении пользователями различных уровней.
Условия, материалы и методы. В качестве анализируемых ГИС выбраны ExactFarming, Агросигнал, Геоаналитика Агро, ArcGIS, Панорама (GIS Webserver AGRO, Панорама АГРО, комплект программ «АРМ агронома»), Агроэколог Онлайн.
Все перечисленные продукты оценивали по ряду параметров: удобство и понятность рабочего интерфейса, возможности (построения картограмм, оперативность обновления данных, отчётность, импорт и экспорт данных, использование внешних источников данных, разнообразие модулей), отличительные особенности, круг пользователей (органы власти, товаропроизводители, специалисты государственных и научных учреждений), необходимость установки на персональные компьютеры. Каждый из параметров оценивали по пятибалльной шкале, где 1 - наихудший результат, 5 - наилучший.
Результаты и обсуждение. ExactFarming - это онлайн-сервис с доступом к функциям через сайт компании, запущенный в 2016 г. В основном он бесплатный, но с 2017 г. добавлены дополнительные платные модули. Этот программный продукт предназначен для землепользователей и товаропроизводителей и в целом похож на автоматизированное рабочее место агронома. Интерфейс системы довольно удобный и понятный, пользователю не сложно разобраться в его работе. Программа позволяет точно регистрировать затраты, методы ведения сельского хозяйства, работы и технику для каждого участка. Помимо этого, к системе подключены спутниковые снимки, с использованием которых можно оценить состояние посевов. ГИС хранит полную историю полевых работ, календарный план и включает в себя понятные инструменты для создания технологических карт. Сервис помогает вести учет расхода семян, удобрений и пестицидов, автоматически ведется расчет остатка, сохраняется вся история прихода-расхода. Имеется возможность для подключения собственной локальной метеостанции, что позволяет самостоятельно осуществлять прогноз погоды.
В системе реализован функционал контроля за работой персонала. Он позволяет осуществлять планирование и учет занятости людских ресурсов, хранить информацию о каждом рабочем, сравнивать плановую и фактическую занятость, фиксировать где, когда и как выполнялась та или иная работа. В ГИС есть возможность создавать технологическую карту с содержанием планов работ на сезон по каждому полю. Их можно сравнивать с реальными показателями, в том числе финансовыми. Есть отдельное приложение для смартфона, через которое загружаются
Рис. 1. Интерфейс загрузки фотографий со смартфона.
фотографии (рис. 1). Кроме того, в магазине приложений можно приобрести онлайн высокоточные спутниковые снимки, модули для мониторинга движения транспорта, интеграции с программой 1С, прогнозирования заболеваемости и урожайности.
К недостаткам ExactFarming можно отнести полное отсутствие связи с агрохимическими, семеноводческими, консалтинговыми и другими фирмами. Разработчики считают это преимуществом, однако, например, без данных агрохимического и почвенно-эрозионного обследования почвы землепользователь не получит полной картины и не сможет всесторонне оценить ее состояние на своих участках. Еще один минус - ограниченность бесплатного функционала. Причем даже дополнительно оплачиваемые опции не способны удовлетворить все запросы землепользователя. То есть при использовании этого продукта придется прибегать к помощи других сервисов и программ.
Агросигнал - комплексная цифровая платформа управления агробизнесом, разработанная компанией ООО «Инфобис». Система предназначена для повышения производительности техники, позволяет снизить объем потерь горюче-смазочных материалов (ГСМ) и влияние человеческого фактора на любой процесс [14]. Интерфейс прост и понятен. Присутствует множество функций, которыми может пользоваться агроном. ГИС содержит множество модулей. Например, с помощью модуля учёта работ и агроопераций можно составлять соответствующие планы и контролировать их выполнение, а также автоматически выгружать данные о проделанной работе в систему 1С. Модуль мониторинга техники позволяет в режиме реально времени отслеживать ее перемещение, а в случае отклонения от маршрутов и нарушения технологических норм автоматически оповещает пользователя о таких фактах путем отправки сообщений на электронную почту и мобильный телефон. С помощью модуля-помощника агронома можно контролировать здоровье полей и растений. Он включает в себя несколько основных функций: построение индекса вегетации для каждого рабочего участка и всего поля в целом (рис. 2), определение проблемных зон и точный расчёт доз средств защиты и удобрений, мониторинг состояния погоды, определение нарушения заранее заданных пороговых значений различных показателей и вывод соответствующих отчётов [14].
Рис. 2. Интерфейс просмотра индекса NDVI.
В системе есть модуль отчётности и аналитики для выдачи информации об изменении основных показателей проводимых сельскохозяйственных работ в простом для понимания виде. Модуль кадастрового учёта, способствующий повышению эффективности использования земельного банка, позволяет добавлять и обрабатывать данные для каждого кадастрового участка, сравнивать реальную и кадастровую площадь, выявлять пересечения участков и неправомерный захват территорий [14]. Модуль планирования используют для составления планов севооборотов и формирования бюджета. Он автоматически рассчитывает затраты и ресурсы с учётом нормативов и базовых тарифов.
В целом система Агросигнал, как и ExactFarming, несмотря на некоторые различия функционала, предназначена для землепользователей и товаропроизводителей. Для нужд агрохимической службы и органов управления отраслью она не адаптирована.
Геоаналитика.Агро - веб-сервис для поддержки принятия решений по различным вопросам в сельском хозяйстве, разработанный с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом. С его помощью можно получить доступ к разнообразной актуализированной информации о характере землепользования, условиях произрастания и состоянии посевов сельскохозяйственных культур [15]. Система позволяет анализировать данные космоснимков и реализует наиболее эффективные алгоритмы обработки и анализа данных [16]. Ее использование способствует решению комплекса производственных и управленческих задач, которые возникают перед органами местного самоуправления и государственной власти, страховыми компаниями, представителями бизнеса и возможными инвесторами. Например, сельхозпроизводители могут осуществлять оперативный мониторинг состояния посевов, оценивать агрометеорологические условия на всех этапах вегетации растений, планировать такие агротехнические мероприятия, как формирование плана размещения сельскохозяйственных культур на рабочих участках, внесение удобрений, уборка урожая. Для органов государственной власти предусмотрена возможность доступа к актуальной аналитической и статистической информации о структуре землепользования на подчиненной территории в виде картограмм, графиков, бланков и др. Страховые компании могут
формировать информационную базу для оценки рисков, связанных с сель-хозпроизводством. Инвесторы получают актуальные и объективные сведения о состоянии отрасли в регионе для оценки целесообразности денежных вложений. В научно-исследовательской сфере Геоаналитика.Агро позволяет работать с множественной пространственной информацией (картами, космическими снимками и др.), продуктами сервиса (космическими снимками с учетом атмосферных показателей и др.), тематическими продуктами для оценки состояния растительности и др. [17].
Рис. 3. Оценка интенсивности вегетации растений в сервисе Геоаналитика.Агро
Основные функции веб-сервиса: автоматизированное получение и оперативный анализ метеорологических данных, анализ цифровых моделей рельефа, решение отраслевых задач разной степени сложности. Кроме того, система позволяет автоматически обновлять данные дистанционного зондирования Земли, корректировать космические снимки с учётом некоторых показателей, устранять объекты (облака, тени), препятствующие съёмке земной поверхности, посредством обработки нескольких снимков за короткий интервал времени и формирования из них нового чистого снимка, проводить спектральный анализ для определения состояния растительности, осуществлять предварительные аналитические расчёты показателей мониторинга плодородия почвы, манипулировать данными за разные периоды времени. Существует возможность подключения внешних геоинформационных сервисов. Доступ к системе осуществляется с помощью веб-интерфейса или API.
Сервис включает в себя дополнительные категории продуктов, необходимые для анализа сельскохозяйственных культур. Большинство из них представлены в виде вегетационных индексов. У пользователей есть возможность проанализировать характеристики биомассы растений, содержание основных компонентов и степень усвоения активной радиации (рис. 3). С помощью производного продукта «Оценка состояния» можно выделять области различной интенсивности вегетации в пределах одного поля.
ГИС также хранит и предоставляет комплексную информацию об условиях вегетации растений. В этом случае исходными данными служит метеорологическая информация, получаемая через сеть метеостанций, почвенные карты, цифровые модели рельефа, а также данные дистанционного зондирования Земли. Они разбиты на категории «Рельеф», «Почвы» «Агрометеорологические условия». Агрометеорологические условия представлены в виде карт температуры, снежного покрова, освещенности и увлажнения. С использованием карт агрономических Рис. 4. Отображение карты крутизны склонов в сервисе Геоаналитика.Агро.
и метеорологических условий можно устанавливать взаимосвязи между неблагоприятными погодными факторами (сильный мороз, длительная оттепель и др.) и развитием растительности.
В категории «Рельеф» представлены характеристики участка поверхности Земли с указанием переувлажнённых зон, содержания питательных веществ, интенсивности солнечной радиации и эрозионных процессов. Картограммы строятся с использованием производных параметров при помощи цифровых моделей с шагом сетки от 20 до 100 м с учетом таких факторов, как экспозиция и длина склона (рис. 4). Работа с детальными цифровыми моделями рельефа открывает возможности для анализа геоморфологической неоднородности внутри угодья и разработки оптимальной стратегии эксплуатации земельных ресурсов. Цифровые модели рельефа локального уровня составляются на основе топографических снимков местности, результатов космической стереосъемки сверхвысокого разрешения, а также лазерного сканирования.
Геоаналитика.Агро позволяет создавать и редактировать границы полей (рабочих участков) сельхозпредприятий на основе космических снимков высокого и сверхвысокого пространственного разрешения.
Интерфейс пользователя простой и удобный, а функционал позволяет анализировать множество самых разнообразных данных. Этот сервис может лишь частично заинтересовать товаропроизводителей, так как большинство его функций просто не будет использоваться. Кроме того, система не предусматривает ведение истории полей, отсутствуют легенды к некоторым картам. В большей степени интерес к программе может возникнуть у государственных и научно-исследовательских учреждений с целью анализа данных.
ЛгоаБ включает огромный набор программ американской компании ЕБИ, которая занимает лидирующее
место в создании геоинформационных систем. Они
Рис. 5. Результаты расчета морфометрических характеристик рельефа: а) - исходные данные, б) - экспозиция склонов, в) - направление поверхностного стока, г) - индекс предрасположенности к развитию линейной эрозии (SPI), д) - топографический индекс влажности (TWI).
разработаны на основе таких распространённых технологий, как .NET, Java и др. Программа визуализирует (представляет в виде цифровой карты) большой объем статистической информации с географической привязкой. Это позволяет формировать и редактировать карты различных масштабов: от мелких планов земельных участков до карты мира. ArcGIS также содержит множество инструментов для анализа пространственной информации.
ГИС способна выполнять множество задач, имеющих географический контекст: сбор данных и их интеграция с бизнес-системами, мониторинг посевов и выявление проблемных областей (ArcGIS содержит встроенные компоненты для оценки состояния растительности по результатам дистанционного зондирования земли), мониторинг техники и контроль производственной деятельности, повышение эффективности работы специалистов с помощью новых технологий, дистанционное управление [18]. ArcGIS интегрирована с бизнес-системами 1С, SAP, Microsoft Excel, а также другими IT-системами, например, атласом земель сельхозназначения и картографическим сервисом Росреестра.
Эта ГИС позволяет осуществлять автоматизированный расчет морфометрических характеристик рельефа (рис. 5) и оценку количества вносимых удобрений (рис. 6). Точки отбора проб привязаны к сетке и интерполируются c использованием инструментов пространственного анализа, что дает полноценную картину распределения питательных веществ внутри полей.
Кроме того, система способна принимать данные с беспилотных летательных аппаратов. ArcGIS поддерживает множество различных функций, имеет удобный интерфейс, но не предназначена для новичков и используется в основном спе-
циалистами. В целом круг пользователей, несмотря на сложность системы, очень обширен. Ее используют некоторые землепользователи, а также специалисты государственных учреждений. Агс01Б содержит отдельные модули для установки на ПК и имеет онлайн-сервисы для работы.
Панорама - универсальная ГИС, которая представляет собой комплекс приложений, позволяющих выполнять операции по внесению и обработке данных, а также работать с базами данных. Кроме того, каждое приложение может работать как отдельно, так и в связки с другими. Это отечественный аналог Агс01в и имеет множество интересных и полезных модулей.
Базовое приложение, предназначенное для аграрной отрасли, - Панорама АГРО. Оно включает все основные функции: ведение базы данных, работа с сельскохозяйственной техникой, планирование мероприятий по обработке земель сельскохозяйственного назначения, взаимодействие с другими внешними приложениями, обмен данными с программами на платформе «1С» [15]. Структура интерфейса (рис. 7), в целом, очень похожа на представленную в настольных приложениях Агс01в.
Система содержит функционал по формированию картограмм структуры посевных площадей, которые строятся с использованием данных о рабочих участках и севооборотах. Есть возможность создания календарного плана с учётом наличия сельскохозяйственной техники, используемой при полевых работах, и агротехнологических карт. Программа выполняет все основные функции для работы с данными: заполнение справочников, ведение паспорта поля по каждому году, добавление карт сельскохозяйственных угодий и внутренней структуры организации, полноценный редактор карты, контроль за транспортом и спецтехникой с использованием навигационных данных, построение различных графиков по данным мониторинга, определение
Рис. 6. Оценка количества подвижных форм калия в почвах.
Рис. 7. Интерфейс Панорама АГРО на примере хозяйства,
кратчайшего пути, обработка результатов отбора почвенных проб и данных дистанционного зондирования, изменение карты сельскохозяйственных угодий, построение тематических карт по данным рабочих участков, планирование использования земель в соответствии с установленным севооборотом, подготовка различных справок и отчётов, разграничение прав доступа пользователей к данным в системе и др. [19, 20].
В связке с ГИС-сервером и ГИС Панорама АГРО работает веб приложение GIS WebServerAGRO, обеспечивающее пользователям удалённый доступ к данным [21]. Оно предназначено для публикации данных, подготовленных с помощью других средств, входящих в комплекс ГИС Панорама, в сети интернет. Эта система может отображать пространственные и атрибутивные данные, информацию из базы данных, а также данные дистанционного зондирования [22].
Сервис предоставляет возможность для обработки следующих данных по сельхозугодиям и объектам организаций: учёт кадастровой информации, отображение и редактирование почвенных характеристик, заполнение сведений по севооборотам и результатам агрохимического мониторинга, расчет доз минеральных удобрений и другие полезные функции, частично дублирующие настольные приложения [23]. Для подключения пространственных данных в виде тайлов используется картографический сервис GIS WebService SE, обмен с которым происходит по международным открытым стандартам.
Синхронизация данных между различными модулями ГИС происходит автоматически. Источником данных для сервиса тайлов могут быть карты, добавленные в ГИС-сервер. Это позволяет быстро и синхронно обновлять данные в ГИС Панорама АГРО, веб-приложениях и на мобильных устройствах клиентов. Имеется возможность подключения к серверу всех приложений, входящих в комплекс ГИС Панорама. Это открывает возможности для совместной одновременной
работы пользователей через интерфейс веб-приложения в интернет браузере и в настольных приложениях [23].
В GIS WebServer AGRO присутствует режим анализа данных с беспилотных летательных аппаратов, который позволяет оперативно контролировать процесс обработки сельскохозяйственных угодий.
АРМ агронома включает минимальный набор программ для агронома, в состав которых входит редактор карт, редактор базы данных по сельскохозяйственным угодьям, опциональный модуль для решения агрономических задач и модуль книги истории полей (рис. 8) [19, 24].
В систему можно добавлять результаты агроэкологи-ческого мониторинга земель и данные из других внешних источников, формировать тематические картограммы по рабочим участкам, настраивать шаблоны и выводить подготовленные отчёты на печать. Кроме того, присутствует функционал по обработке данных, позволяющий выполнять обработку введённых данных, заполнять паспорта рабочих участков, вводить кадастровые данные, строить и отображать тематические картограммы [19].
Следует отметить, что большинство приложений комплекса программ Панорама необходимо устанавливать на ПК пользователей. Онлайн-сервис устанавливается отдельно на сервер и для его работы в связке необходимо установить дополнительные модули.
Интерфейс настольных приложений удобный, но сложный и рассчитан на специалистов, не подходит для обычных пользователей. Интерфейс веб-сервиса пользователям освоить легко, но добавление карт в него может показаться запутанным. ГИС не подходит для использования в работе органов управления отраслью.
ГИС АгроэкологОнлайн - геоинформационная система, разработанная для агроэкологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения специалистами ФГБУ «ЦАС «Белгородский». Она предоставляет удобный доступ к актуальным данным агрохимической службы, тематическим картам с результатами агрохимического и почвенного обследования, предусматривает возможности
Рис. 8. Интерфейс просмотра книги истории полей на Агропортале.
Рис. 9. Пример отображения почвенной карты.
ведения электронной книги истории полей и расчета доз минеральных удобрений. Кроме того, в систему встроен модуль мониторинга транспортных средств, а также она формирует множество различных отчётов [25]. В рамках действующего проекта Научно-образовательного центра «Инновационные решения в АПК» для обеспечения научно-технической поддержки АПК России эта ГИС дополняется новыми модулями и функциями. Работа проводится под руководством профессора, доктора сельскохозяйственных наук Сергея Викторовича Лукина, совместно с учёными НИУ «БелГУ».
В ГИС Агроэколог Онлайн реализовано разграничение прав доступа для каждой категории пользователей, что позволяет ограничить возможные действия с векторными данными и просмотр отчетов. В системе хранятся контура земельных участков с информацией по ним. Агрегируя эту информацию можно, например, узнать число землепользователей и занимаемую ими площадь сельхозугодий в отдельном административном районе [13]. Есть возможность изменять базовую подложку карты. По умолчанию используется Open Street Map (OSM). Кроме этого поверх можно наложить кадастровые контуры.
Также в ГИС содержатся основные сведения о животноводческих комплексах, которые хранятся в базе данных. Имеется возможность формирования реестра для быстрого перехода к любому из этих комплексов, среди сведений о которых есть, например, протоколы испытаний органических удобрений и др.
ГИС Агроэколог Онлайн предоставляет доступ к интерактивным почвенным карт с отображением на них точек отбора проб (рис. 9), для каждой из которых есть информация о гранулометрическом и химическом составе почвенных горизонтов. Также
пользователям доступны тематические картограммы по степени кислотности почв, содержанию органического вещества, подвижных форм питательных элементов, динамически строящиеся на основе результатов агрохимического обследования, а также почвенная карта, карты эрозии и типизации земель, построенные по данным почвенно-эрозионного обследования. Для каждого рабочего участка все необходи-мыеданные (номер и площадь участка, вид собственности, тип и подтип почвы, гранулометрический состав, результаты агрохимического и эколого-токсикологического обследования) собраны в «паспорт поля» [26, 27].
ГИС предоставляет доступ к картам крутизны (рис. 10) и экспозиции склонов, которые в основном используют при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ). В Агроэколог Онлайн можно строить интерактивные картограммы проектов АЛСЗ с отображением всех объектов и их характеристик. Поскольку на территории Белгородской области проекты АЛСЗ - обязательные нормативные документы для землепользователей, которые разрабатывают различные проектные организации, выполним и обратный процесс загрузки в сервис цифровых материалов (различных векторных слоёв и данных к объектам на них в виде таблицы атрибутов) по данным проектам, подготовленных с помощью других ГИС [28]. С использованием спутниковых снимков Landsat в системе можно построить растровый слой NDVI на определённую дату.
Для контроля реализации проектов адаптивно-ландшафтных систем земледелия и охраны почв ГИС Агроэколог Онлайн предоставляет пользователям функционал ведения электронной книги истории полей [29]. С его использованием агрономы могут вносить
Пример отображения картограммы крутизны склонов.
Рис. 11. Отчет по структуре посевных площадей.
информацию о урожайности и сортах высеваемых культур, мероприятиях по обработке почвы, о внесении органических и минеральных удобрений, применении препаратов для защиты растений и др. По этим данным можно строить отчёты и картограммы в разрезе элементарных участков (рис. 11). Анализ таких картограмм позволяет определять наиболее проблемные места и на основе этого использовать технологии точного земледелия [30].
В ГИС присутствует функционал расчета годовых доз минеральных удобрений. Его алгоритм учитывает множество факторов: обеспеченность почв элементами питания, гранулометрический состав почвы, степень эродированности, вынос элементов питания сельскохозяйственной культурой с планируемой урожайностью, биологические особенности предшественника и другие. Кроме того, с использованием системы можно контролировать соблюдение сроков и объемов выполнения работ в рамках проектов известкования (рис. 12).
Интерфейс ГИС Агроэколог Онлайн прост в освоении и разделен на две части: внутреннюю и внешнюю. Первую используют сотрудники агрохимической службы для внесения данных и формирования различных служебных отчетов для землепользователей и органов управления. Вторая часть предназначена для сельхозпроизводителей, сотрудников агрохимической службы, специалистов органов управления и других государственных организаций. В целом продукт в большей степени рассчитан на агрохимическую службу и органы управления.
Таким образом, в каждой из ГИС присутствуют те или иные положительные и отрицательные аспекты. В частности, к отрицательным можно отнести отсутствие возможности взаимодействия пользователей разных уровней между собой, необходимость установки приложений на ПК пользователей, очень сложный интерфейс, отсутствие актуальных агрохимических
данных. Положительными следует считать наличие множества различных полезных функций, удобство в работе, возможность оперативного построения отчетов, автоматический анализ данных и вывод результатов.
Самые удобные и функциональные системы - Агс01Б и ГИС Панорама, обладающие широкими возможностями для работы с векторными и растровыми объектами. Для анализа цифровых данных разного уровня подходит Геоаналитика.Агро, а наиболее популярными среди землепользователей могут стать Еха^апглпд и Агросигнал, применение которых открывает возможности для решения ограниченного круга самых необходимых задач по рационализации использования ресурсов.
Единственная система с огромной базой агрохимических, почвенно-эрозионных и других данных, в которой могут работать пользователи всех уровней, а данные вносятся сразу на местах их получения (станции агрохимической службы, землепользователи, органы управления), - ГИС Агроэколог Онлайн. Кроме того, в ней реализованы функции, ориентированные непосредственно на агроэкологический мониторинг земель сельскохозяйственного назначения, сохранение плодородия почвы и формирование отчетности. В результате эта ГИС предоставляет множество полезных функций для обработки и редактирования данных, а также их анализа и дальнейшего принятия управленческих решений.
По итогам рассмотрения возможностей, выбранных ГИС, была сформирована таблица оценок по каждому показателю (см. табл.).
Отчасти такие оценки могут быть субъективными, каждый пользователь может оценить выбранные ГИС по-другому. Например, специалисты больше смотрят на удоб-
Рис. 12. Пример тематической карты проекта известкования.
Таблица. Оценка показателей геоинформационных систем
ГИС Интерфейс Построение картограмм Оперативное обновление данных Импорт и экспорт данных Отчётность Внешние источники данных Разнообразие модулей Особенности Круг пользователей
удобство понятность органы власти специалисты землепользователи
ExactFarming 4 4 4 4 2 3 3 3 2 1 2 4
Агросигнал 4 4 4 4 2 3 3 3 2 1 2 4
Геоаналитика.Агро 4 5 4 4 3 4 5 3 3 3 3 3
ArcGIS 4 3 5 5 5 3 3 5 5 4 5 2
Панорама 4 3 5 5 5 4 3 5 4 4 4 3
ГИС Агроэколог Онлайн 4 5 5 5 4 5 2 4 4 5 4 4
ство и разнообразие функционала, землепользователи заинтересованы в простоте и удобстве, а органы власти - в отчётности и оперативном обновлении данных.
Заключение. Таким образом, все ГИС в той или иной степени удобны для работы, нацелены на улучшение качества и сокращение времени выполнения технологических процессов и операций сельскохозяйственного производства. Интерфейс систем в основном удобный и понятный. Используется принцип модульного построения ГИС. В зависимости от потребностей каждый землепользователь может выбирать для себя то, что ему необходимо. Органам управления агропромышленного комплекса для принятия управленческих решений и оперативного обновления данных с рабочих мест специалистов скорее подойдет ГИС Агроэколог Онлайн.
Литература.
1. Берлянт A. M. Геоинформационное картографирование. М.: МГУ, 1997. 64 с.
2. ЖуркинИ. Г., Шайтура С. В. Геоинформационные системы. М.: КУДИЦ-ПРЕСС, 2009. 272с.
3. Integration of data mining methods forEarth science data analysis in GIS environment/B. P. Nikolov, J. I. Zharkikh, A. A. Soloviev, etal.//Russ. J. EarthSci. 2015. Vol. 15. ArticleES4004. [Электронныйресурс]. URL:http://elpub.wdcb.ru/journals/rjes/v15/2015ES000559/2015ES000559. html (дата обращения: 29.07.2020). doi: 10.2205/2015ES000559.
4. Gurrutxaga M. Health geography: applications in regional and urban planning // Estudios Geograficos. 2019. Vol. 80. Is. 286. P. 2-15.
5. Deng J., Desjardins M. R., Delmelle E. M. An interactive platform for the analysis of landscape patterns: a cloud-based parallel approach //Annas of GIS. 2019. Vol. 25. No. 2. P. 99-111.
6. Ганиева И. А. Предпосылки создания информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования для агропромышленного комплекса России //Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 12. С. 110-116.
7. CODATA and global challenges in data-driven science / A. Rybkina, S. Hodson, A. Gvishiani, et al. // Russ. J. Earth Sci. 2018. Vol. 18. Article ES4002. [Электронный ресурс]. URL: http://elpub.wdcb.ru/journals/rjes/v18/2018ES000625/2018ES000625.html. doi: 10.2205/2018ES000625(дата обращения: 29.07.2020).
8. Степных Н. В., Жукова О. А., Заргарян А. М. Разработка базы данных типовых техкарт для информационно-аналитического комплекса по земледелию // Вестник НГИЭИ. 2018. № 4 (83). С. 5-15.
9. Перспективы использования геоинформационных систем в технологии возделывания подсолнечника на маслосемена в Республике Татарстан / Р. М. Низамов, С. Р. Сулейманов, Ф. Н. Сафиоллин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2018. Т. 13. № 1 (48). С. 58-62.
10. Личман Г. И., БеленковА. И. Мониторинг урожайности сельскохозяйственных культур в точном земледелии// Нивы Зауралья. 2014. № 11 (122). С. 64-69.
11. Чекмарев П., Лукин С. Динамика плодородия пахотных почв, использования удобрений и урожайности основных сельскохозяйственных культур в Центрально-Черноземных областях России //Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 4. С. 41-44.
12. Modelling and simulation of agricultural landscapes / W. Mirschel, V. Berg-Mohnicke, R. Wieland, et al. // Landscape modelling and decision support. Innovations in landscape research; eds. W. Mirschel, V. Terleev, K. O. Wenkel. Springer Cham, 2020. P. 3-21. doi: 10.1007/9783-030-37421-1 1.
13. Чекмарев П. А., Лукин С. В. Использование геоинформационных систем при проведении мониторинга плодородия почв// Достижения науки и техники АПК. 2013. № 1. С. 3-5.
14. Комплексная цифровая платформа управления агробизнесом Агросигнал: информационная система: [Электронный ресурс]. URL: https://agrosignal.com (дата обращения: 29.07.2020).
15. Байкалова Т. В. Обзор российского рынка геоинформационных систем для сельского хозяйства // Сборник материалов XIV Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству». Барнаул: АГАУ, 2019. С. 295-297.
16. AyalewL., Yamagishi H., Ugawa N. Landslide susceptibility mapping using GIS-based weighted linear combination, the case in Tsugawa area of Agano River, Niigata Prefecture, Japan//Landslides. 2004. Vol. 1. P. 73-81.
17. Гордеев А. Б. Геоинформационные онлайн-сервисы для доступа к сетевым картографическим устройствам. Н. Новгород: Нижегородская ГСХА, 2018. 96 с.
18. Шаннаа А. А., Кулик Е. Н. Современные средства пространственного моделирования территории в ГИС//Интерэкспо ГеоСибирь. 2019. Т. 6. № 2. С. 208-214. doi: 10.33764/2618-981X-2019-6-2-208-214.
19. Программа для автоматизации управления деятельностью сельскохозяйственного предприятия «Панорама АГРО»: информационная система//АгроСервер.ру[Электронныйресурс]. URL: https://agroserver.ru/b/programma-dlya-avtomatizatsii-upravleniya-deyatelnostyu-selsko-395184.htm (дата обращения: 29.07.2020).
20. Использование инновационных технологий координатного (точного) земледелия в сельском хозяйстве Самарской области: монография/ С. В. Машков, В. А. Прокопенко, М. Р. Фатхутдинов и др. Кинель: РИО СГСХА, 2016. 200 с.
21. «В GIS WebServerAGRO реализованы средства управления системой точного земледелия из любой точки земного шара»: информационная система // www.gisinfo.ru [Электронный ресурс]. URL: https://gisinfo.ru/newspages-news-971-0 (дата обращения: 28.07.2020).
22. KB Panorama: Information// www.gisinfo.ru [Электронный ресурс]. URL: https://gisinfo.net/about/about.htm (дата обращения: 30.07.2020).
23. Внедрение геоинформационных технологий и навигационных систем в задачах точного земледелия/И. В. Бычков, Н. Г. Лу-ковников, А. Н. Луковников и др. // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. 2011. Т. 9. № 1. С. 21-30.
24. Казаков М. А. Применение ГИС-технологий в управлении сельскохозяйственным предприятием // Актуальные проблемы аграрной науки и пути их решения: сборник научных трудов. Кинель: РИЦ СГСХА, 2016. 882 с.
25. Лукин С. В., Костин И. Г., Малышева Е. С. Применение геоинформационных систем для агроэкологического мониторинга сельскохозяйственных земель //Агрохимический вестник. 2019. № 4. С. 8-13.
26. Lukin S. V. Dynamics of the agrochemical fertility parameters of arable soils in the southwestern region of central chernozemic zone of Russia//Eurasian Soil Science. 2017. Vol. 50. No. 11. P. 1323-1331.
27. Lukin S. V., Selyukova S. V. Ecological assessment of the content of cadmium in soils and crops in southwestern regions of the central chernozemic zone, Russia//Eurasian Soil Science. 2018. Vol. 51. No. 12. P. 1547-1553.
28. Лукин С. В. Биологизация земледелия: итоги и перспективы //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 7. С. 20-23.
29. Кузьмичев Ф. П., Тепляшина Л. И., Гвоздева Е. Н. Мониторинг плодородия почв Саратовской области //Достижения науки и техники АПК. 2018. № 6. С. 5-9.
30. Костин И. Г. Применение геоинформационных систем при инвентаризации многолетних насаждений и в точном земледелии // Земледелие. 2018. № 7. С. 45-48.
References
1. BerlyantAM. Geoinformatsionnoe kartografirovanie [Geoinformation mapping]. Moscow: MGU; 1997. 64 p. Russian.
2. Zhurkin IG, Shaitura SV. Geoinformatsionnye sistemy[Geoinformation systems]. Moscow: KUDITs-PRESS; 2009. 272 p. Russian.
3. Nikolov BP, Zharkikh JI, Soloviev AA, et al. Integration of data mining methods for Earth science data analysis in GIS environment. Russ. J. Earth Sci [Internet]. 2015 Dec 19 [cited 2020 Jul 29];15: Article ES4004. Available from: http://elpub.wdcb.ru/journals/rjes/ v15/2015ES000559/2015ES000559.html. doi: 10.2205/2015ES000559.
4. Gurrutxaga M. Health geography: applications in regional and urban planning. Estudios Geograficos. 2019;80(286):2-15
5. Deng J, Desjardins MR, Delmelle EM. An interactive platform for the analysis of landscape patterns: a cloud-based parallel approach. Annals of GIS. 2019;25(2):99-111.
6. Ganieva IA. [Prerequisites for creating an information-resource digital platform forintelligent management of farming and land use systems for the agro-industrial complex of Russia]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2019;33(12):110-6. Russian.
7. Rybkina A, Hodson S, Gvishiani A, et al. CODATA and global challenges in data-driven science. Russ. J. Earth Sci [Internet]. 2018 Aug 9 [cited 2020 Jul 29];18: Article ES4002. Available from: http://elpub.wdcb.ru/journals/rjes/v18/2018ES000625/2018ES000625.html. doi: 10.2205/2018ES000625.
8. Stepnykh NV, Zhukova OA, Zargaryan AM. [Development of a database of standard technical maps for an information and analytical complex for agriculture]. Vestnik NGIEI. 2018;(4):5-15. Russian.
9. Nizamov RM, Suleimanov SR, Safiollin FN, et al. [Prospects for the use of geographic information systems in the technology of sunflower cultivation for oilseeds in the Republic of Tatarstan]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018;13(1):58-62. Russian.
10. Lichman GI, Belenkov AI. [Monitoring crop yields in precision farming]. Nivy Zaural'ya. 2014;(11):64-9. Russian.
11. Chekmarev P, Lukin S. [Dynamics of fertility of arable soils, use of fertilizers and productivity of main agricultural crops in the Central Chernozem region of Russia]. Mezhdunarodnyi sel'skokhozyaistvennyi zhurnal. 2017;(4):41-4. Russian.
12. Mirschel W, Berg-Mohnicke V, Wieland R, et al Modelling and simulation of agricultural landscapes. In: Mirschel W, Terleev V, Wenkel KO, editors. Landscape modelling and decision support. Innovations in landscape research. Springer Cham; 2020. p. 3-21. doi: 10.1007/9783-030-37421-1 1.
13. Chekmarev PA, Lukin SV. [The use of geographic information systems in monitoring soil fertility]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2013;(1):3-5. Russian.
14. Integrated digital platform for agribusiness management Agrosignal: information system [Internet]. [cited2020 Jul 29]. Available from: https://agrosignal.com. Russian.
15. Baikalova TV. [Overview of the Russian market of geographic information systems for agriculture]. In: Sbornik materialov XIV Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii «Agrarnaya nauka - sel'skomu khozyaistvu» [Proceedings of the XIVInternational Scientific and Practical Conference "Agricultural Science for Agriculture"]. Barnaul (Russia): AGAU; 2019. p. 295-7. Russian.
16. Ayalew L, Yamagishi H, Ugawa N. Landslide susceptibility mapping using GIS-based weighted linear combination, the case in Tsugawa area of Agano River, Niigata Prefecture, Japan. Landslides. 2004;1:73-81.
17. Gordeev AB. Geoinformatsionnye onlain-servisy dlya dostupa k setevym kartograficheskim ustroistvam [Online geographic information services for accessing network mapping devices]. N. Novgorod (Russia): Nizhegorodskaya GSKhA; 2018. 96p. Russian.
18. Shannaa AA, Kulik EN. [Modern tools for spatial modelling of the territory in GIS]. Interekspo Geo-Sibir'. 2019;6(2):208-14. Russian. doi: 10.33764/2618-981X-2019-6-2-208-214.
19. AgroServer [Internet]. AgroServer; 2005-2020. Program for automating the management of the agricultural enterprise "Panorama AGRO": information system; [cited 2020 Jul 29]; [about 3 screens]/ Available from: https://agroserver.ru/b/programma-dlya-avtomatizatsii-upravleniya-deyatelnostyu-selsko-395184.htm. Russian.
20. Mashkov SV, Prokopenko VA, Fatkhutdinov MR, et al. Ispol'zovanie innovatsionnykh tekhnologii koordinatnogo (tochnogo) zemledeliya v sel'skom khozyaistve Samarskoi oblasti [The use of innovative technologies of coordinate (precision) farming in agriculture of the Samara region]. Kinel'(Russia): RIO SGSKhA; 2016. 200 p. Russian.
21. KB Panorama [Internet]. Moscow: Panorama Group; 1991-2020. ['The GIS WebServerAGRO implements control tools for the precision farming system from anywhere in the world": information system]; 2012 Dec 29 [cited 2020 Jul 28]; [about 2 screens]. Available from: https:// gisinfo.ru/newspages-news-971-0. Russian.
22. KB Panorama [Internet]. Moscow: Panorama Group; 1991-2020. About firm; [cited 2020 Jul 30]; [about 3 screens]. Available from: https://gisinfo.net/about/about.htm.
23. Bychkov IV, LukovnikovNG, LukovnikovAN, et al. [The introduction ofgeoinformation technologies and navigation systems in the tasks of precision farming]. Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Informatsionnye tekhnologii. 2011;9(1):21-30. Russian.
24. Kazakov MA. [Application of GIS technologies in the management of an agricultural enterprise]. In: Aktual'nye problemy agrarnoi nauki i puti ikh resheniya: sbornik nauchnykh trudov [Actual problems of agricultural science and ways to solve them: collection of scientific papers]. Kinel' (Russia): RITs SGSKhA; 2016. 882 p. Russian.
25. Lukin SV, Kostin IG, Malysheva ES. [Application of geographic information systems for agroecological monitoring of agricultural lands]. Agrokhimicheskii vestnik. 2019;(4):8-13. Russian.
26. Lukin SV. Dynamics of the agrochemical fertility parameters of arable soils in the southwestern region of central chernozemic zone of Russia. Eurasian Soil Science. 2017;50(11):1323-31.
27. Lukin SV, Selyukova SV. Ecological assessment of the content of cadmium in soils and crops in southwestern regions of the central chernozemic zone, Russia. Eurasian Soil Science. 2018;51(12):1547-53.
28. Lukin SV. [Biologization of agriculture: results and prospects]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016;30(7):20-3. Russian.
29. Kuz'michev FP, Teplyashina LI, Gvozdeva EN. [Monitoring of soil fertility in the Saratov region]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018;(6):5-9. Russian.
30. Kostin IG. [The use of geographic information systems in the inventory of perennial plantings and in precision farming]. Zemledelie. 2018;(7):45-8. Russian.
