Современные ГИС технологии в растениеводстве

Новосибирский государственный аграрный университет

Агрономический факультет

Кафедра энтомологии и биологической защиты растений

 

 

 

 

Контрольная работа по теме

«Современные ГИС технологии в растениеводстве»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы 1122

Проверила: канд. с.-х. наук, доцент

 

 

 

 

 

Новосибирск 2014

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Географические информационные системы (ГИС) - это современные информационные технологии для картографирования и анализа объектов реального мира. Геоинформационные технологии являются естественной и необходимой составляющей любой информационной системы, в которой имеются пространственные данные. Информационные системы агрокомплекса в этом отношении - не исключение. Рассмотрим некоторые аспекты применения геоинформационных технологий в сельском хозяйстве, используя, в первую очередь, зарубежный опыт. 
Основные области применения ГИС в сельском хозяйстве - увеличение производства сельскохозяйственной продукции, оптимизация ее транспортировки и сбыта. В качестве примера можно привести удачный опыт некоторых компаний по оценке требуемого количества и оптимизации доставки удобрений и ядохимикатов сельскохозяйственным предприятиям. Сельскохозяйственные предприятия используют ГИС для пространственного анализа и мониторинга тенденций продуктивности сельскохозяйственного производства. Страховые компании используют ГИС для оценки рисков и уточнения страховых взносов при страховании урожая. Поставщики сельскохозяйственного оборудования, удобрений и ядохимикатов применяют ГИС для рекламирования и сбыта собственной продукции в сельскохозяйственных регионах, поиска оптимальных маршрутов доставки продукции автомобильным, водным и железнодорожным транспортом. Одним из новых и перспективных направлений в сельском хозяйстве за рубежом является прецизионное земледелие. Речь идет о том, чтобы, используя самые разнородные данные (результаты отбора проб почвы с географической их привязкой, обработки данных дистанционного зондирования, цифровые тематические карты) оптимизировать принятие решений о локальном внесении удобрений и ядохимикатов в почву для повышения продуктивности сельскохозяйственного производства. Уже сейчас существуют системы, обеспечивающие отображение в реальном режиме времени на дисплее перемещение трактора или комбайна по полю и информирование фермера о необходимости увеличения или уменьшения расхода удобрений на том или ином участке поля. 
По сути та же самая цифровая картографическая информация позволяет в оперативном режиме составлять карты состояния посевов на текущий момент, служащие основой для поддержки принятия решений. В частности, на участках наилучшего произрастания посевов быстрее истощаются запасы азота в почвах. Поэтому раннее обнаружение различий в состоянии посевов позволяет своевременно определить те участки полей, на которых необходимо дополнительное внесение удобрений. Комплексная ГИС наиболее часто включает в себя такие цифровые карты, как карты содержания минеральных веществ в почве, типов и характеристик почв, карты уклонов (с цифровой моделью рельефа) и экспозиций склонов, погодных, климатических и гидрологических условий. Крайне важной информацией являются цифровые карты за ряд последовательных таких факторов, как урожайность и тип посевов, тип механической и химической обработки почв, пространственное распределение заболеваний культур и динамика распространения вредных насекомых. При наличии такой информации открываются неограниченные возможности анализа, прогноза и оптимизации деятельности сельскохозяйственных предприятий. Особенно важно применение геоинформацоинных технологий, в особенности технологий обработки данных дистанционного зондирования (аэрофотоснимков, космоснимков, в первую очередь многозональных и гиперспектральных), для тематического дешифрирования территории. Это может стать основой для создания цифровой картографической основы информационных систем агропромышленного комплекса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проблемы и задачи ГИС на различных уровнях

 

Сельское хозяйство – один из наиболее древних видов хозяйственной деятельности человека. Возможно, поэтому мы наблюдаем здесь максимум консерватизма и ощутимое отставание во внедрении современных технологий, особенно информационных. Конечно, механизация значительно повысила производительность сельского труда, но если сравнить ее с тем, как бурно развивается большинство отраслей промышленного производства, то сельское хозяйство останется далеко позади. Тем не менее, сегодня и у нас уже встречаются интересные проекты, поднимающие данный тип производства на качественно новый уровень. Совершенно очевидно, что внедрение информационных технологий должно начинаться с переписи имеющихся производственных ресурсов, с создания базы данных. Так как основным ресурсом в сельском хозяйстве является земля, то такая БД обязательно будет носить пространственный характер. Конечно, можно перенумеровать поля и вести базу данных их характеристик в табличном виде, даже на бумаге. Границы полей можно закрепить на схеме и использовать ее для иллюстрации. Но от такой технологии не будет большой пользы. Очевидно, что внесение даже простых изменений в такую документацию требует много ручного труда. Чем дольше ведется такая БД, тем более вероятно появление в ней ошибок, особенно если правки вносят разные специалисты. О временном и пространственном анализе данных в этом случае придется забыть.

С другой стороны – уже сейчас для стран, желающих вступить в Европейское Сообщество, существует обязательное требование функционирования национальной Единой административно – управляющей системы (IACS), включающей в себя данные по всем земельным участкам и землепользователям. Такая система просто необходима для эффективной реализации программ субсидирования производителей сельхозпродукции и контроля за использованием этих субсидий, сумма которых по Евросоюзу составляет несколько десятков миллиардов евро. В США большое число подобных и других сельскохозяйственных программ и проектов, основанных на использовании информационных технологий, среди которых особое место отводится ГИС, очень активно реализуется многочисленными агентствами, относящимися к Министерству сельского хозяйства (USDA).

Внедрение компьютерных технологий позволяет не только значительно упростить введение информационных баз и снизить вероятность возникновения ошибок, но и внедрить новые методы поддержки принятия управленческих решений на основе анализа данных и, в конечном итоге, поднять производительность труда. Поскольку практически вся информация о ресурсах сельского хозяйства имеет пространственную привязку, очевидно, что в качестве базовой информационной технологии лучше всего использовать геоинформационные системы. Главное достоинство современных средств построения ГИС (прежде всего технологии компании ESRI) – в их открытости и сочетаемости с другими информационными технологиями и системами обработки данных. Причем, масштабируемость решений ESRI позволяет использовать разные продукты одного семейства на самых разных уровнях управления.

Применение геоинформационных технологий в сельском хозяйстве возможно на федеральном, региональном, местном уровнях, вплоть до отдельного огорода. Поскольку задачи на этих уровнях различны, соответственно, неодинаковы используемые данные и средства работы с ними. При использовании продуктов одного семейства (например ArcGis) обеспечивается как вертикальная (между различными уровнями управления), так и горизонтальная (между хозяйствами или организациями одного уровня) совместимость по данным и программным продуктам.

На Федеральном уровне актуальны такие задачи, как выработка сельскохозяйственной политики, лицензирование и контроль производства продуктов массового потребления, прогнозирование валового сбора различных культур, мониторинг природных условий и использования земель, контроль информации, поступающей «снизу». Наилучшее применение здесь могли найти серверные программные продукты типа ArcSDE и ArcIMS для поддержки централизованного реестра земель сельскохозяйственного значения, баз данных хозяйств и полей. Все эти объекты имеют некоторое положение и протяженность в пространстве, поэтому только технология пространственных баз данных может гарантировать адекватное компьютерное представление этой информации. Причем простого ГИС-пакета здесь недостаточно, - например, в США имеются десятки тысяч хозяйств, миллионы полей, и только специальные средства управления большими пространственными базами данных могут справиться с такими объемами. К этим данным должен быть обеспечен соответствующий доступ. Для этого служат интернет технологии. А оптимальным решением для передачи картографических данных через Интернет и представления карт в Вебе является картографический интернет-сервер ArcIMS. Благодаря ему пользователи настольных продуктов ArcGIS могут получать доступ к картографическим материалам из любой точки Земли, где есть подключение к Интернету. Этот же продукт может использоваться во внутренних сетях организаций для обеспечения доступа к картам на центральном сервере через Интернет. На уровне отдельного хозяйства или группы хозяйств ГИС – технологии также востребованы, и сейчас в индустриально развитых странах можно наблюдать настоящий бум под названием precision agriculture – точное земледелие. Суть его в том, что обработка полей производится в зависимости от реальных потребностей выращиваемых в данном месте культур. Эти потребности определяются с помощью современных информационных технологий, включая космическую съемку, причем часто средства обработки дифференцируются в пределах различных участков поля, давая максимальный эффект при минимальном ущербе окружающей среде и снижении общего расхода применяемых веществ. Накопление статистики обработки (куда и сколько внесли каждого вещества) и получаемых результатов (урожайность) позволяет применять различные виды анализа (регрессионный, факторный и др.) с тем, чтобы в дальнейшем корректировать применяемые дозы для получения максимума отдачи на каждый вкладываемый в обработку рубль. Современные СУБД включают средства статистического анализа, позволяющие проводить такой анализ по отдельным полям. Но если мы захотим сделать анализ более детальным и точным путем разбивки полей на небольшие однородные участки, то тут потребуются уже средства пространственного анализа, имеющиеся в ArcGIS. Именно такой подход считается оптимальным в идеологии точного земледелия. И здесь нужно отметить, что в двух специальных дополнительных модулях ArcGIS – Spatial Analyst и Geostatistical Analyst – реализованы самые современные методы пространственного анализа данных, невидимые невооруженным глазом. С помощью этих средств по каждому элементарному участку можно анализировать влияние рельефа, характеристик почвы, гидрологического режима, истории внесения агрохимикатов, а также выявлять проблемные участки, не вписывающиеся в имеющуюся агрономическую модель, и на этой основе ее совершенствовать. Использование единой масштабируемой программной технологии, такой как ArcGIS, позволяет, с одной стороны, проводить анализ любой сложности и разрабатывать методики с помощью наиболее мощных продуктов семейства (ArcInfo), а с другой – поставлять конечным пользователям решения минимальной стоимости (ArcView, ArcReader). При этом используется полная совместимость между различными продуктами семейства и возможность создания специализированных приложений на основе библиотеки разработчика ArcObjects.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные ГИС продукты для работы

 

Для создания и ведения карт и баз пространственных данных сх назначения, как правило, используется семейство продуктов ArcGIS. Я хочу отметить несколько продуктов, обладающих специфическими функциями, важными для технологий точного замледелия. Это три дополнительных модуля – модуль пространственного анализа Spatial Analyst, модуль геостатистического анализа Geostatistical Analyst и модуль обработки снимков Image Analysis для ArcGIS (от компании Leica Geosystems GIS & Mapping, LLC). Первые два позволяют восстанавливать картину пространственного распределения показателей (например, агрохимических) по точечным измерениям, а также исследовать

зависимости между различными показателями, влияющими на продуктивность сельхозугодий. Отличие геостатистики от традиционных статистических методик в том, что здесь учитывается пространственный аспект исследуемых явлений. Можно выявлять не только временные, но и пространственные тренды, учитывать влияние и взаимосвязи различных факторов не только во временном, но и в пространственном контексте. Модуль Image Analysis дополняет базовые продукты ArcGIS функциями обработки изображений. В сущности, это элементы другого продукта – ERDAS IMAGINE, - встроенные в среду ArcGIS. Достоинство этого модуля в том, что пользователю ArcGIS при работы со снимками не нужно осваивать интерфейс другого программного продукта, - все функции доступны в знакомой среде, и интерфейс работы с ними сделан максимально простым. А ERDAS IMAGINE в этом случае будет востребован профессионалами обработки снимков. Немаловажным фактором информатизации сельского хозяйства, в том числе и внедрения ГИС, является удаленность пользователей (специалистов хозяйств) от крупных городов,

имеющих развитую информационную инфраструктуру. В этом случае оказываются весьма кстати возможности продуктов ESRI по созданию распределенных геоинформационных систем и обеспечению доступа к геоданным через Интернет. Продукты семейства ArcGIS могут работать и с локальными данными, находящимися на том же компьютере, и с любыми наборами данных в интернете. Для полевых специалистов полезно приложение ArcPad для карманных компьютеров.

 

Российский опыт

 

Работы по использованию ГИС в сельскохозяйственной отрасли РФ были инициированы в 1999 г. в Департаменте информатики, анализа и прогнозирования и в Главном вычислительном центре (ГВЦ) министерства. После изучения рынка ГИС в 2001 г. по программе ARIS министерством были приобретены инструментальные средства для разработки ГИС - локализованные программные продукты семейства ArcGIS: ArcInfo, как

основная инструментальная среда для создания, хранения и обработки картографических данных на федеральном уровне, ArcView – на региональном уровне, а также ряд дополнительных модулей, обеспечивающих расширенные возможности создания, обработки и анализа разнообразной пространственной и атрибутивной информации. Для обработки данных дистанционного зондирования был приобретен программный продукт ERDAS IMAGINE компании Leica Geosystems, позволяющий легко интегрировать ДДЗ с картографическим материалом в единой ГИС среде.

В 2003 г. в рамках Государственного контракта ГВЦ Минсельхоза провел подготовительные работы по внедрению и адаптации ГИС в сельскохозяйственной отрасли. За достаточно короткий срок были выполнены работы по следующим  основным направлениям:

1.      Организационно – технические мероприятия.

- определение  регионов, расположенных в различных  агроклиматических зонах с различными  условиями сельскохозяйственного  производства, с целью выявления  нескольких подготовленных и  заинтересованных во внедрении  ГИС-технологий регионов и обследования  их на предмет наличия необходимых  программно-технических средств;

- разработка  и адаптация временной нормативной  документации на картографические  данные и данные дистанционного  зондирования;

- организация  обучения пользователей выбранных  регионов работе с инструментальными  средствами ГИС (при содействии  компании «ДАТА+» и учебно-методического  центра «ГИСПроект»);

- передача  необходимых программных ГИС - средств  и базового картографического  материала в выбранные регионы, а также предоставление доступа к серверу оперативных спутниковых изображений ГВЦ Минсельхоза.      

2. Организация  поступления базового картографического  материала: цифровых моделей местности  разных масштабов и кадастровых  карт в форматах принятой инструментальной  платформы ГИС (покрытия ArcInfo и шейпфайлы). Был собран большой объем цифровых  карт: карты для федерального  уровня масштаба 1:1 000 000 на всю  Россию, регионального уровня масштаба 1:200 000 на основные сельскохозяйственные  регионы и карты более крупных  масштабов на отдельные районы. Проведены работы по сшивке  цифровых карт на выбранные  регионы и их обновление по  материалам космической съемки.        

3. Создание  действующего макета системы  централизованного приема данных  дистанционного зондирования. Наибольшие  усилия были направлены на  разработку проекта отраслевой  системы спутникового мониторинга. Она должна в оперативной режиме  обеспечить Министерство сельского  хозяйства РФ и другие заинтересованные  организации объективной информацией  о параметрах землепользования  и площадях посевов сельскохозяйственных  культур, в первую очередь яровых  и озимых зерновых культур, в  основных зерносеющих регионах  Российской Федерации. С помощью  системы спутникового мониторинга  планируется контролировать сроки  и качество проведения основных  агротехнических работ, условия  тепловлагообеспеченности вегетационного  периода, роста, развития и состояния  посевов сельскохозяйственных культур, ожидаемую урожайность, возможность  повреждения посевов при неблагоприятных  погодных условиях, от особо опасных  болезней, вредителей и др.