Функциональные возможности геоинформационных систем (ГИС), предназначенных для решения в том числе задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой, сбора, хранения, обработки, доступа, отображения и распространения пространственно-координированных данных, реализуются с использованием геоинформационных технологий - совокупности приемов, способов и методов применения программно-технических средств обработки и передачи информации [94].
Такие технологии объединяют в себе методы дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), системы управления базами данных (СУБД), системы глобального позиционирования (GPS), методы анализа и дешифрирования геоинформации, интернет-технологии, системы картографирования, методы цифровой обработки изображений [72].
Среди зарубежных ГИС получили известность Maplnfo, ArcGIS, AtlasGIS, WinGIS, MGE, MapPoint, среди отечественных - GeoDraw, Sinteks ABRIS, ГИС «Хозяйство», «Панорама АГРО», «Карта 2011», мобильная ГИС электронного учета сельскохозяйственных земель «ГЕОУчетчик», информационно-аналитическая система «ГЕО- Агро», ГИАС «Управление сельскохозяйственным предприятием» и др.
ГИС применяются для составления тематических картограмм хозяйства, таких как карты использования земель, уклонов и экспозиций склонов, типов и характеристик почв, агрохимических данных, текущего состояния растений, урожайности и др. Перечисленные карты лежат в основе оценки агроклиматических условий хозяйства, принятия решений о необходимости внесения удобрений и возможности выращивания конкретной сельскохозяйственной культуры. Обязательными модулями геоинформационной системы являются базы геоданных, система ввода и хранения данных, преобразование систем координат и трансформация картографических проекций, система управления, анализа и моделирования, система вывода и предоставления данных, взаимодействие с пользователем (рис. 13) [72].
Рис. 13. Блок-схема функционирования ГИС
С помощью программных модулей ГИС осуществляются создание электронных карт земельных участков, привязка атрибутов к идентификаторам топографических объектов, работа с GPS- приемниками, навигация объекта в заданную соответствующими координатами точку, отображение геометрических показателей (расстояния, площади) геообъектов и др. [93].
Для работы в управленческих программах для сельского хозяйства разработано специальное программное обеспечение ГИС, позволяющее получать информацию о производственном процессе, планировании и моделировании технологических операций, формировании отчетов и др. К таким программам относятся ГЕО-Агро, ГИС-Панорама Земледелие, Farm Works Site (Pro), SST Summit, SMS Desktop Software (Ad-vanced и Basic), JD Reports MAP АграрОфис, Agro-Net NG, Farm View Record Keeper и др. [71, 72].
Электронные карты можно использовать также для мониторинга подвижной техники в специализированных программах для сельского хозяйства, таких как ГИС-Панорама АГРО, ГИС-Панорама АВТО и др., а также в универсальных - Авто-ГРАФ, Спутник, Бит-Нова,
Бизнес-навигатор и др. Электронные карты полей, создаваемые в аграрных ГИС, масштабом 1:10000 дают наиболее точное и полное представление о сельскохозяйственных угодьях (рис. 14) [71].
Рис. 14. Скриншот цифровой картограммы участка сельскохозяйственных угодий
Эту информацию можно получить с помощью данных дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) бесконтактными методами, при которых регистрирующий прибор удален от объекта исследований на значительное расстояние. Общей физической основой дистанционного зондирования является функциональная зависимость между зарегистрированными параметрами собственного или отраженного излучения объекта и его биогеофизическими характеристиками и пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удаленной от него точке пространства. Процесс сбора данных дистанционного зондирования и их использование в географических информационных системах (ГИС) схематически представлены на рис. 15 [93].
Рис. 15. Данные дистанционного зондирования, интегрированные в ГИС
Основу методов ДЗ составляют использование сенсоров, размещаемых на космических аппаратах, которые регистрируют электромагнитное излучение в форматах, позволяющих вести цифровую обработку данных в широком диапазоне электромагнитного спектра, как правило, в инфракрасном диапазоне отраженного излучения, тепловом инфракрасном и радиодиапазоне электромагнитного спектра.
Для приема, регистрации, обработки, архивации, каталогизации и распространения космической информации с отечественных и зарубежных космических аппаратов ДЗЗ функционирует ряд компаний (научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ), компания «Совзонд», компания «Ракурс» и др.) [72].
В точном земледелии главным элементом является составление многослойных электронных карт полей (МЭК), в которые, помимо слоя, отображающего с заданной точностью границы полей, дорожную сеть и населенные пункты, вносится вся информация о рельефе, состоянии почвы на участке, внесении удобрений и средств защиты растений, севообороте, урожайности и влажности зерна по годам, точке проведения замеров и взятии проб и др. (рис. 16). В каждом слое хранится конкретная информация в виде объектов. Самым нижним слоем обычно является снимок местности из космоса [71, 72].
Рис. 16. Слои МЭК (структура почвенного покрова, грунтовых вод, содержание макро- и микроэлементов, агрохимические показатели, севооборот, урожайность по годам и др.)
Цифровые карты бывают растровые и векторные. Растровая карта представляет собой цифровое изображение, получаемое путем сканирования бумажной карты, т.е. является копией оригинала и обеспечивает сохранение всех деталей исходной бумажной карты. Особенность такой карты в том, что сканируемый файл имеет большой объем, и внести в него какие-либо новые данные, кроме отображения, практически невозможно. Векторная карта представляет собой базу данных, в которой хранится информация об объектах карты в виде графического (геометрического) и атрибутивного (семантическое) описания объектов. Атрибутивное описание включает в себя такие данные, как высота дерева, ширина дороги, скорость течения реки, название населенного пункта, улицы, адрес дома и т.д., графическое - определяет контуры объектов (в общем случае криволинейные), представляя их, как правило, ломаными линиями, цвета, стили линий для линейных объектов и характер заполнения для площадных [72].
В электронной векторной карте полей каждый объект полностью автономен и может редактироваться отдельно от других объектов, к каждому из них возможно привязать несколько характеристик. Эта информация с использованием специального программного обеспечения является основой для создания современной системы управления сельским хозяйством.
Электронная карта - это средство инвентаризации земель, определяющее ресурсный потенциал хозяйств, позволяющее точно рассчитать нормы расхода топливосмазочных материалов, внесения удобрений и средств защиты растений (СЗР) в зависимости от площади. Создание карты качества почв отдельных участков поля позволяет вести дифференцированное внесение СЗР и удобрений в различных частях поля, что экономит удобрения, СЗР и исключает перенасыщение ими почвы.
Ведение электронной карты поля дает следующие преимущества [72]:
• возможность ведения учета и контроля всех сельскохозяйственных операций с использованием точных данных (площадь полей, длина дорог, расположение населенных пунктов и др.);
• помощь в проведении полного анализа условий, влияющих на рост растений на данном поле;
• оптимизация производства с целью получения максимального дохода, а также рационального использования в производстве ресурсов;
• ведение паспортов сельскохозяйственных угодий с учетом привязки к году урожая;
• просмотр и анализ тематических карт агрохимического мониторинга полей, возделываемой культуры, вносимых удобрений, урожайности, экономической эффективности культуры и др.
Современные технологии позволяют создавать электронные карты полей с большой точностью. Существует три основных метода сбора исходных данных для создания электронных карт полей [71, 72]:
• обмер поля с помощью высокоточного ГНСС-приёмника в полевых условиях. Метод позволяет получить высокоточные географические координаты границ поля, наложить их на географическую карту, произвести расчёт всех его геометрических характеристик;
• обработка космического изображения высокого разрешения. Этот метод является менее точным, но более дешёвым;
• комбинированный метод, суть которого заключается в том, что электронная карта поля, созданная по космическим снимкам, редактируется с помощью высокоточного ГНСС-приёмника с выездом на поле, используя специализированные аппаратно-программные комплексы, например, комплекс «ГЕО -Учётчик».
Наличие электронной карты позволяет проводить агрохимическое обследование полей, вносить в нее дополнительную информацию о содержании основных элементов - N, P, K, Ca, Mg, S, Ph, гумуса и др. Таким образом, электронная карта поля становится все более детальной. При необходимости она может быть преобразована из одного картографического формата в другой [72].
Использование электронных карт полей можно показать на примере компании Galaxy Precision Ag Services Ltd., которая, используя космические изображения со спутника СПОТ, предоставляет информацию по распределению качества посевов с разрешением на местности, достаточным для управления фермерскими хозяйствами. Далее эта информация анализируется и объединяется с другими наборами данных, полученных традиционными методами, давая возможность фермеру изменять приемы ведения хозяйства, включая внесение удобрений, в зависимости от меняющихся условий на полях. Многочисленные источники данных (цифровые карты урожайности, данные со спутников, карты почв и нитратов, возделывания и севооборотов) объединяются в ГИС и обрабатываются для получения карты действительного состояния посевов на текущий момент.
Оперативные картограммы состояния посевов служат основой для системы поддержки решений. Пользователь-эксперт работает с ней в интерактивном режиме, чтобы получить результаты обследования в ценовом выражении с добавлением информации о прибыли и убытках. Различия в состоянии посевов относятся к трем классам: постоянному, временному и смешанному - в зависимости от сочетания состояния посевов и погодных условий.
Компания Galaxy Precision Ag Sevices использует программное обеспечение ERDAS IMAGINE для определения степени изменчивости посевов на полях. В результате фермеры могут выборочно вносить удобрения для корректировки или повышения урожайности, избегая потерь и максимально увеличивая прибыль. В областях наилучшего произрастания посевов быстрее истощаются запасы азота в почвах. Поэтому раннее обнаружение различий в состоянии посевов позволяет своевременно определить участки полей, на которых необходимо дополнительное внесение удобрений. Машины-разбрасыватели, снабженные GPS, с высокой точностью распределяют удобрения в требуемом количестве и в определенных местах поля, что помогает фермерам избежать потерь и максимально увеличить прибыль.
На рис. 17 показано обработанное в IMAGINE изображение нескольких полей, на которых области с высокой урожайностью отображаются в красных тонах, а с низкой - в голубых [95].
Рис. 17. Обработанное в программе IMAGINE изображение нескольких полей
Источник: Буклагин Д.С., Мишуров Н.П., Балабанов В.И., Зейлигер А.М., Петухов Д.А. Цифровые технологии оценки, планирования и прогнозирования использования земель сельскохозяйственного назначения: аналит. обзор – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 92 с., страница 57-64
