CC BY
76
5. Novozhilov, V. V. Teoriya tonkih obolochek [Tekst] / V. V. Novozhilov. - L.: Sudpromgiz, 1962. - 432 p.
6. Ovchinnikov, A. S. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie arochnyh betonnyh plotin s ispol'zovaniem vysokotochnyh konechnyh jelementov [Tekst] / A. S. Ovchinnikov, A. P. Kiselev // Materialy nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Volgograd, 2017. - T. 2. - P. 235-241.
7. Oden, Dzh. Konechnye jelementy v nelinejnoj mehanike sploshnyh sred [Tekst] / Dzh. Oden. - M.: Izd-vo Mir,1976. - 464 p.
8. Rikards, R. B. Metod konechnyh jelementov v teorii obolochek i plastin [Tekst] / R. B. Ri-kards. - Riga: Zinatne, 1988. - 284 p.
9. Sedov, L. I. Mehanika sploshnoj sredy [Tekst] T.1. / L. I. Sedov. - M.: Nauka, 1976. - 536 p.
10. Skopinskij, V. N. Napryazheniya v peresekayuschihsya obolochkah [Tekst] / V. N. Skop-inskij. - M.: Fizmatlit, 2008. - 400 p.
11. Kiselyev, A. The finite elements of a quadrilateral shape for analysis of shells taking into consideration a displacement of a body with rigid body modes [Текст] / A. Kiselyev Yu. Klochkov, A. Nikolaev // Stroitel'naya mehanika inzhenernyh konstrukcij i sooruzhenij. - 2011. - № 3. - P. 49-59.
E-mail: [email protected]
УДК 625.72:634.93 DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-15
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
GEOINFORMATION PROVISION OF PRECISION AGRICULTURE
1 2
А.С. Рулев ' , доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН С.С. Шинкаренко1'2, кандидат сельскохозяйственных наук В.Н. Бодрова2, Н.В. Сидорова2
A. S. Rulev1'2, S. S. Shinkarenko1'2, V. N. Bodrova2, N. V. Sidorova2
1 ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексныхмелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград 2Волгоградский государственный университет
1Federal scientific center of agroecology, complex meliorations and agroforestry of RAS,
Volgograd 2Volgograd State University
В статье представлены возможности геоинформационного моделирования для организации системы принятия решений в рамках концепции точного земледелия. В современных условиях в ведущих агропромышленных компаниях складывается тенденция необходимости внедрения современных информационных и технологических разработок, из которых и складывается система точного земледелия. Целью исследований являлось определение роли геоинформационных технологий в подсистеме принятия решений и возможностей, которые для этого предоставляются. Для тестового полигона х. Плотников-1 разработана геоинформационная система (ГИС) структуры землепользования, содержащая данные о посевных площадях, культурах, морфометрических характеристиках и состоянии почвенного покрова. Для каждого из 96 полей тестового полигона определены преобладающие уклоны, экспозиция, смытость почв, возделываемая культура. Продукт может служить для решения информационно-справочных задач, пространственного анализа и моделирования, принятия решений, оценки эффективности агротехнологий. Данный подход может быть рекомендован для внедрения в хозяйствах различных категорий как Волгоградской области, так и за её пределами.
The article presents the possibilities of geoinformation modeling for the organization of the decision-making system within the framework of the concept of exact agriculture. In modern conditions, the leading agro-industrial companies are developing the trend of the need to introduce modern information and technology-logical developments, of which the system of exact farming is developing.
The purpose of the research was to determine the role of geoinformation technologies in the decision making subsystem and the opportunities that are provided for this. For the Plotnikov-1 test site, a geoinformation system (GIS) of the land use structure was developed, containing data on crop areas, crops, morphometric characteristics and soil cover. For each of the 96 fields of the test site, the prevailing bias, exposure, soil washout, cultivated crop were determined. The product can serve to solve information and reference tasks, spatial analysis and modeling, decision making, and evaluation of the effectiveness of agricultural technologies. This approach can be recommended for implementation in farms of various categories, both in the Volgograd Region and beyond.
Ключевые слова: агроландшафты, точное земледелие, мониторинг смытости почв, структура посевных площадей, геоинформационные системы, дистанционное зондирование.
Key words: agrolandscape, precision agriculture, soil erosion monitoring, structure of sown areas, geoinformation systems, remote sensing.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
в рамках научного проекта № 18-016-00165 «Геоинформационные технологии прогнозирования состояния и управления агролесосистемами»
Введение. Современные тенденции развития сельскохозяйственного хозяйства направлены на специализацию и концентрацию аграрного производства, использование научных достижений и информационных технологий. Одно из таких направлений - система точного земледелия - основана на принятии стратегических решений на базе информационных технологий и различных источников данных (сельскохозяйственное производство, финансы и т.д.). Потенциал точного сельского хозяйства заключается в управлении производством с учетом пространственно-временной изменчивости почвенного плодородия, природно-климатических условий и состояния растительности, а также на мониторинге этих и других показателей [8, 15].
В современных условиях функционирования агробизнеса в ведущих агропромышленных компаниях складывается тенденция необходимости внедрения современных информационных и технологических разработок. Точное земледелие является интегрирующим комплексом технологий, состоящим из нескольких подсистем: принятия решений, мониторинга, агротехнических приемов, специализированной техники и т.п. [12]. Компьютерные технологии и телекоммуникации позволяют ускорить и оптимизировать производство за счет объединения техники и людей, что способствует сокращению затрат [10].
Концепция точного земледелия невозможна без использования современных достижений в сфере сбора, обработки и хранения различной, зачастую разнородной, сельскохозяйственной информации. В условиях снижения стоимости и повышения доступности и оперативности получения данных дистанционного зондирования Земли, систем мобильной навигации, навигационной информации и устройств складываются все условия для развития сельского хозяйства как отдельных регионов, так и в масштабах страны.
Данная концепция:
1) предусматривает создание и применение высокоточных ресурсосберегающих агротехнологий;
2) обеспечивает качественный и количественный скачок в развитии сельского хозяйства для достижения конкурентоспособности на мировом рынке;
3) базируется на новейших достижениях в области высоких технологий, прежде всего на использовании: глобальной системы позиционирования, дистанционного зондирования земли, дешифрирования тематической информации, прогнозирования на этой основе урожайности в привязке с высокой точностью к выбранной системе координат.
Прогресс агропромышленного производства невозможно представить без высокоэффективной системы точного земледелия, включающей в том числе современные технологии сбора, обработки и хранения информации. Оптимальный инструмент для этих целей - геоинформационные технологии (ГИС), являющиеся основой подсистемы поддержки принятия технологических решений в точном земледелии. ГИС вместе с высокотехнологичными системами (системы спутниковой навигации, бортовые компьютеры, роботизированные машины и агрегаты) являются технологическим ядром в области точного земледелия [3, 11]. Например, измерения влажности, температуры и агрохимических показателей почвы в сочетании с метеоданными и данными дистанционного зондирования Земли, загруженные в виде слоев ГИС, позволят проанализировать тренды и построить прогноз изменения значений этих показателей, в соответствии с которым будут приняты решения о сроках обработок, сева и т.д. [5, 13].
Геоинформационные технологии для картографирования земель сельскохозяйственного назначения на сегодняшний день широко применяются в развитых странах, где являются стратегическим направлением аграрной политики. Вопрос изучения роли ГИС-технологий как неотъемлемого элемента картографирования земель сельскохозяйственного назначения является актуальным [8, 14]. Это связано с тем, что электронные карты полей (угодий) являются основой любой информационной системы контроля производства как элементарные операционные единицы хранения информации. Многие компании агрокомплекса постоянно модернизируются, вкладывая значительные финансовые ресурсы в закупку оборудования для точного земледелия и контроля работ тяжелой техники. Однако данные технологии становятся неэффективными при отсутствии точных электронных карт полей, позволяющих заранее планировать многочисленные операции (траектории движения техники, маршруты, их протяженность и продолжительность, постанализ работ), оперативно оценивать состояние агросистем, принимать своевременные управленческие решения [2]. Также становится возможным анализ пространственных характеристик угодий - величин уклонов, экспозиции и т.п. Данные дистанционного зондирования могут также быть использованы при составлении управляющих карт для проведения операций агроцикла, в том числе и для дифференцированного внесения минеральных удобрений, химических средств защиты растений и мелиорантов [3]. Перспективно применение методов точного сельского хозяйства и для лесомелиоративного обустройства агроландшафтов [6].
В работе на примере тестового полигона х. Плотников-1 (50°17'36" с. ш. 43°57'15" в. д.) рассматривается возможность применения геоинформационных технологий для обеспечения системы точного земледелия.
Материалы и методы. Концепция точного земледелия необходима для разработки новых ресурсосберегающих технологий в растениеводстве, призванных увеличить производительность труда, повысить управляемость агропроизводства, найти выгодные в экономическом отношении культуры сорта, обеспечить рациональное использование земельных ресурсов и сократить издержки за счет оптимизации использования производственных ресурсов, например, горюче-смазочных материалов, средств защиты растений, гербицидов и ядохимикатов, семян, ресурса техники, трудозатрат и т.п. Это невозможно без комплексного использования современных информационных технологий и глобальных систем спутниковой навигации.
Практика применения ГИС-технологий в точном земледелии позволяет классифицировать задачи, решаемые в среде ГИС, следующим образом [1]:
- информационно-справочные задачи;
- пространственный анализ;
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
№ 4 (52) 2018
- моделирование (интеграция ГИС и моделей для определения показателей аг-ротехнологий на единицах управления);
- анализ и принятие решений (анализ в среде ГИС эффективности различных агротехнологий).
На основе дешифрирования спутниковых снимков высокого разрешения 8еп!те1-2 была составлена карта структуры землепользования тестового полигона, определены границы полей. Геоинформационная обработка осуществлялась в программе ОСТБ 2.14. В атрибутивную информацию картографического слоя с границами полей внесены данные о структуре посевных площадей. На основе цифровой модели местности БЯТМЗ в результате морфометрического анализа определены величины углов наклонов и экспозиций склонов. С помощью инструментов пространственного анализа и зональной статистики для контуров полей определены величины средних углов наклонов и преобладающей экспозиции. По методике ВНИАЛМИ [7] определены уровни деградации почв на полях. Итоговые карты представлены в системе координат WGS84, проекция ИТМ, зона 38К
Результаты и обсуждение. В результате функционального анализа тестового полигона по космоснимку были выделены следующие территориальные зоны: земли лесного фонда (4280,1 га), к которым относятся искусственные насаждения (1569,1 га) и естественная растительность (2711,0 га), земли сельскохозяйственного назначения (богарные пашни - 11 587,2 га, пастбища и сенокосы - 5562,8 га), гидрографический фонд (250,6 га), земли населенных пунктов (807 га), дорожный фонд (рисунок 1).
Рисунок 1 - Функциональное зонирование исследуемой территории
Использование функционального зонирования представляется достаточно актуальным и эффективным инструментом для решения проблем формирования и использования земель различных категорий. Тематический слой с границами полей является основой для создания картографической базы данных системы земледелия изучаемой территории. Слой содержит 96 объектов площадью от 6,4 га до 463 га, каждому
присвоен уникальный идентификатор. В атрибутивную информацию внесены данные о возделываемых на полях культурах, в результате стала возможной визуализация структуры посевов (рисунок 2).
Рисунок 2 - Структура посевных площадей
Наполнение атрибутивных данных сведениями о структуре посевов, урожайности, агротехнических приемах за разные годы позволит получить базу, которая будет являться инструментом эффективного управления сельскохозяйственным производством.
Для исследования углов наклона склонов в среде ГИС построен соответствующий растровый слой, иллюстрирующий пространственное положение участков ландшафта с различными величинами углов наклона (рисунок 3 а). На основе растрового слоя определены средние значения углов наклона в пределах полей (рисунок 3б).
N
да
Ч!Г £
к |
Рисунок 3 - Величины углов наклонов склонов: а) в результате морфометрического анализа модели БЯТМ; б) средние величины углов наклона на полях
Карта углов наклона склонов не только наглядно иллюстрирует результаты статистического анализа распределения углов, но и дает точную географическую привязку тех или иных склонов, что имеет большое значение при организации сельскохозяйственного производства. В результате установлено, что около 51 % площади пашни имеют углы наклона от 2° до 3°, а площадь поверхности с углами от 3° составляет всего 324,35 га (3 %). Таким образом, возможно обоснование выбора агротехнических приемов для каждого поля для снижения эрозионной опасности.
Для ведения сельскохозяйственной деятельности в агролесоландшафтах важное значение имеет экспозиция склонов. Инструментарий геоинформационных программ позволяет получать растровые модели экспозиций методами морфометрического анализа. На рисунке 4 представлен результат определения экспозиций исследуемой территории: растр разрешения исходных данных БЯТМ (рисунок 4а) и результат вычисления преобладающей экспозиции по границам полей (рисунок 4б). На исследуемом полигоне преобладают поля южной и восточной экспозиции.
а) б)
Рисунок 4 - Экспозиция склонов: а) в результате морфометрического анализа модели БЯТМ; б) преобладающая экспозиция на полях
Рисунок 5 - Уровень смытости почвы на полях
Определение изменчивости состояния почвенного покрова и соответствующей реакции растительности является неотъемлемой частью системы точного земледелия. Измерение параметров почвы, которые влияют на рост и развитие растения, их интерпретация и принятие оптимальных управленческих решений являются одной из задач точного земледелия [3, 14].
Одним из таких показателей является деградация почвенного покрова в результате водной эрозии. На рисунке 5 приведены результаты определения уровней смыто-сти почв на полях исследуемого тестового полигона. Очень слабый уровень деградации имеют 30 % угодий общей площадью 3273 га, слабый - 50 % (5794 га) и слабо- и сред-неумеренный - 20 %.
Заключение. В работе рассмотрен опыт разработки геоинформационной системы для обеспечения функционирования системы точного земледелия на примере тестового полигона х. Плотников-1. Векторный слой с границами полей позволяет проводить операции морфометрического анализа и пространственной статистики непосредственно для каждого поля. ГИС с данными об агротехнических приемах, структуре посевов, положении в рельефе, состоянии почв и т.п. в атрибутивной информации служит основой для принятия технологических решений в аграрном производстве.
Библиографический список
1. Баденко, В.В. Особенности геоинформационного обеспечения технологий точного земледелия [Текст] / В.В. Баденко, Н.К. Латышев, С.Г. Слинчук // Геоматика. - 2009. - № 4. -С. 53-58.
2. Бодрова, В.Н. Методы дистанционного контроля сельскохозяйственных угодий [Текст] / В.Н. Бодрова // Антропогенная трансформация геопространства: история и современность: матер. IV Междунар. науч.-практ. конф., г. Волгоград, 15-19 мая 2017 г. / отв. ред. С.Н. Канищев [и др.]; ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет». - Волгоград, 2017. - С. 149-159.
3. Личман, Г.И. Использование космического мониторинга и дистанционного зондирования в системе точного земледелия [Текст] / Г.И. Личман, Н.М. Марченко // Геоматика. -2011. - № 4. - С. 89-93.
4. Михайленко, И. М. Управление системами точного земледелия [Текст] / И.М. Ми-хайленко. - СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 2005. - 234 с.
5. Михайленко, И. М. Управление сроками сева по данным дистанционного зондирования Земли [Текст] / И.М. Михайленко, В.Н. Тимошин // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2017. -Т. 14. - № 5. - С. 149-160.
6. Рулев, А.С. Инновационная технология лесомелиоративного обустройства деградированных ландшафтов на основе ГИС-технологий и космоснимков [Текст] / А.С. Рулев, В.Г. Юферев, А.М. Пугачева // Инноватика и экспертиза. - 2017. - № 2 (20). - С. 33-45.
7. Рулев, А.С. Геоинформационное картографирование и моделирование эрозионных ландшафтов [Текст] / А.С. Рулев, В.Г. Юферев, М.В. Юферев. - Волгоград: ВНИИ агролесомелиорации, 2015. - 153 с.
8. Рунов, Б.А. Новейшие технологии (точное земледелие) - основа развития выгодного сельского хозяйства [Текст] / Б.А. Рунов, Н.В. Пильникова // Экономика сельского хозяйства России. - 2010. - № 2. - С. 25-34.
9. Шинкаренко, С.С. Геоинформационное обеспечение противодефляционных мероприятий в муниципальных образованиях Волгоградской области [Текст] / С.С. Шинкаренко, А.А. Пономарева // Формирование и развитие сельскохозяйственной науки в XXI веке: сб. науч. статей / ФГБНУ «ПНИИАЗ». - с. Соленое Займище, 2016. - С. 94-101.
10. Якушев, В.П. К проблеме агрофизических основ систем земледелия нового поколения [Текст] / В.П. Якушев // Плодородие. - 2008. - № 6. - С. 22-24.
11. Якушев, В.П. Геоинформационное обеспечение прецизионных экспериментов в земледелии [Текст] / В.П. Якушев, А.В. Конев, В.В. Якушев // Геоинформатика. - 2015. - № 3. - С. 96-101.
12. Якушев, В.П. Точное земледелие: опыт применения и потенциал развития [Текст] / В.П. Якушев, П.В. Лекомцев, А.Ф. Петрушин // Геоинформатика. - 2014. - № 3. - С. 32-38.
13. Becker F., Li Z.-L. Temperature - independent spectral indices in thermal infrared bands / Li Z.-L. Becker F. // Remote Sensing Environmental. - 1990. - Vol. 32. - №. 3. - P. 17-33.
14. A technical opportunity index adapted to zone-specific management / P. Roudier, B. Tis-seyre, H. Poilve et al. // Precision Agriculture. - 2011. - Vol. 12. - P. 130-145.
15. Remote Sensing and GIS for Habitat Quality Monitoring: New Approaches and Future Research / A. Zlinszky, H. Heilmeier, H. Balzter et al.// Remote Sensing. - 2015. - №. 7 (6). -P. 7987-7994.
Reference
1. Badenko, V. V. Osobennosti geoinformacionnogo obespecheniya tehnologij tochnogo zem-ledeliya [Tekst] / V. V. Badenko, N. K. Latyshev, S. G. Slinchuk // Geomatika. - 2009. - № 4. - P. 53-58.
2. Bodrova, V. N. Metody distancionnogo kontrolya sel'skohozyajstvennyh ugodij [Tekst] / V. N. Bodrova // Antropogennaya transformaciya geoprostranstva: istoriya i sovremennost': mater. IV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., g. Volgograd, 15-19 maya 2017 g. / otv. red. S. N. Kanischev [i dr.]; FGAOU VO «Volgogradskij gosudarstvennyj universitet». - Volgograd, 2017. - P. 149-159.
3. Lichman, G. I. Ispol'zovanie kosmicheskogo monitoringa i distancionnogo zondirovaniya v sisteme tochnogo zemledeliya [Tekst] / G. I. Lichman, N. M. Marchenko // Geomatika. - 2011. -№ 4. - P. 89-93.
4. Mihajlenko, I. M. Upravlenie sistemami tochnogo zemledeliya [Tekst] / I. M. Mihajlenko. -SPb.: Izd-vo S. -- Peterburgskogo un-ta, 2005. - 234 p.
5. Mihajlenko, I. M. Upravlenie srokami seva po dannym distancionnogo zondirovaniya Zemli [Tekst] / I. M. Mihajlenko, V. N. Timoshin // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. - 2017. -T. 14. - № 5. - P. 149-160.
6. Rulev, A. S. Innovacionnaya tehnologiya lesomeliorativnogo obustrojstva degradirovannyh landshaftov na osnove GIS-tehnologij i kosmosnimkov [Tekst] / A. S. Rulev, V. G. Yuferev, A. M. Pugacheva // Innovatika i jekspertiza. - 2017. - № 2 (20). - P. 33-45.
7. Rulev, A. S. Geoinformacionnoe kartografirovanie i modelirovanie jerozionnyh landshaftov [Tekst] / A. S. Rulev, V. G. Yuferev, M. V. Yuferev. - Volgograd: VNII agrolesomelio-racii, 2015. - 153 p.
8. Runov, B. A. Novejshie tehnologii (tochnoe zemledelie) - osnova razvitiya vygodnogo sel'skogo hozyajstva [Tekst] / B. A. Runov, N. V. Pil'nikova // Jekonomika sel'skogo hozyajstva Ros-sii. - 2010. - № 2. - P. 25-34.
9. Shinkarenko, S. S. Geoinformacionnoe obespechenie protivodeflyacionnyh meropriyatij v municipal'nyh obrazovaniyah Volgogradskoj oblasti [Tekst] / S. S. Shinkarenko, A. A. Ponomareva // Formirovanie i razvitie sel'skohozyajstvennoj nauki v XXI veke: sb. nauch. statej / FGBNU "PNI-IAZ". - C. Salty loan, 2016. - P. 94-101.
10. Yakushev, V. P. K probleme agrofizicheskih osnov sistem zemledeliya novogo pokoleniya [Tekst] / V. P. Yakushev // Plodorodie. - 2008. - № 6. - P. 22-24.
11. Yakushev, V. P. Geoinformacionnoe obespechenie precizionnyh jeksperimentov v zemledelii [Tekst] / V. P. Yakushev, A. V. Konev, V. V. Yakushev // Geoinformatika. - 2015. -№3. - P. 96-101.
12. Yakushev, V. P. Tochnoe zemledelie: opyt primeneniya i potencial razvitiya [Tekst] / V. P. Yakushev, P. V. Lekomcev, A. F. Petrushin // Geoinformatika. - 2014. - № 3. - P. 32-38.
13. Becker F., Li Z. - L. Temperature - independent spectral indices in thermal infrared bands / Li Z. -- L. Becker F. // Remote Sensing Environmental. - 1990. - Vol. 32. - №. 3. - P. 17-33.
14. A technical opportunity index adapted to zone-specific management / P. Roudier, B. Tis-seyre, H. Poilve i dr. // Precision Agriculture. - 2011. - Vol. 12. - P. 130-145.
15. Remote Sensing and GIS for Habitat Quality Monitoring: New Approaches and Future Research / A. Zlinszky, H. Heilmeier, H. Balzter i dr.// Remote Sensing. - 2015. - №. 7 (6). - P. 7987-7994.
E-mail: [email protected] 122
