Геоинформационное обеспечение агроэкологической оценки земель
Геоинформационные системы (ГИС)
Оптимальным для компьютерной инвентаризации почвенного покрова выглядит использование технологий географических информационных систем (ГИС). Несмотря на почти 40-летний период развития ГИС, до сих пор нет устоявшегося единого терминологического аппарата. Существует около 40 различных определений этого термина предложенных отечественными и зарубежными специалистами. Наиболее простым определением является предложенное специалистами сайта: « Географическая информационная система (ГИС) - современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, происходящих и прогнозируемых событий и явлений».
Почвенный институт предлагает иную формулировку «... ГИС – компьютерная база пространственно – координированных данных, сопряжённых со специальным программным обеспечением и техническими средствами, обеспечивающими возможности их ввода, хранения и анализа...»
ГИС - это не только и не столько информационные системы для географии, а информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте геоинформационные системы - это сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами, то есть мощными графическими средствами. Основная идея ГИС - связь данных на карте и в обычной базе данных. Но ГИС - это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС, фактически, представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации.
В окружающем нас мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Поэтому ГИС во многих применениях значительно расширяют возможности обычных систем управления базами данных (СУБД), как минимум, предоставляя дополнительные удобства пользования и наглядность, как бы картографический интерфейс для организации запроса к базе данных ("Что это?") и средства генерации "картографического отчета" ("Где это находится?"). Но ГИС придает обычным СУБД и совершенно новую функциональность, использующую пространственные взаимоотношения между объектами ("Что рядом?", "Какой путь короче?", "С какими объектами связан или граничит данный объект?", "Какие объекты пересекаются (накладываются), и в какой мере?")
ГИС предлагает совершенно новый путь развития картографии.
Преодолеваются основные недостатки обычных карт - их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а следовательно повышается эффективность ее обработки и анализа.
В ГИС карта оживает и становится действительно динамическим объектом в смысле:
- изменяемости масштаба; - преобразования картографических проекций;
- варьирования объектным составом карты (что выводится);
- возможности "опрашивать" через карту в режиме реального времени многочисленные базы данных;
- изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии и т.п.); в том числе и определения символогии через значения атрибутов, то есть синхронизировать визуализацию с изменениями в базах данных;
- легкости внесения любых изменений.
Наиболее простой пример использования ГИС - различные информационно-справочные, кадастровые системы. Наглядное представление быстро меняющейся информации позволяет реализовать так называемые "дежурные карты". Мощнейшие средства пространственного анализа помогают создавать системы поддержки принятия решений и моделировать природные и техногенные процессы.
Геоинформационные технологии в настоящий момент широко используются как во многих научных дисциплинах (география, астрономия, физика, геология, биология и т.д.), так и в практике хозяйственной деятельности (в строительстве, медицине, военном деле, проектных организациях, обороне и др.).
Геоинформационные системы наиболее естественно отображают пространственные данные. ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных - запрос и статистический анализ - с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений. Данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых задач, касающихся пространственной информации.
Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов.
ГИС отличают:
- развитые аналитические функции;
- возможность управлять большими объемами данных;
- инструменты для ввода, обработки и отображения пространственных данных.
Ключевые преимущества геоинформационных систем:
1) удобное для пользователя отображение пространственных данных. Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ;
2) интеграция данных внутри организации. Геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.
3) принятие обоснованных решений. Автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений;
4) удобное средство для создания карт. Геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономят временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.
Составляющие геоинформационных систем:
- аппаратные средства;
- программное обеспечение. Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации;
- данные. Данные могут быть представлены в виде готовых карт с требуемыми тематическими слоями, либо в виде снимков космической и аэрофотосъемки и пр.
Операции, осуществляемые ГИС:
1) ввод данных. В геоинформационных системах автоматизирован процесс создания цифровых карт, что кардинально сокращает сроки технологического цикла;
2) управление данными. Геоинформационные системы хранят пространственные и атрибутивные данные для их дальнейшего анализа и обработки;
3) запрос и анализ данных. Геоинформационные системы выполняют запросы о свойствах объектов, расположенных на карте, и автоматизируют процесс сложного анализа, сопоставляя множество параметров для получения сведений или прогнозирования явлений;
4) визуализация данных. Удобное представление данных непосредственно влияет на качество и скорость их анализа. Пространственные данные в геоинформационных системах предстают в виде интерактивных карт. Отчеты о состоянии объектов могут быть построены в виде графиков, диаграмм, трехмерных изображений (Савин, 1998).
Перспективы использования ГИС в сельском хозяйстве
Первые ГИС появились в начале 60-х годов в Швеции, а затем в Канаде. В настоящее время ГИС подходы инвентаризации и анализа земельных ресурсов интенсивно развиваются во всем мире.
Наряду с такими центрами развития земельных ГИС как США, Канада, Англия, в мире появляются и новые центры, активно развивающие национальные ГИС. Таковыми являются ГИС природных ресурсов и мониторинга окружающей среды в Китае, земельные ГИС Японии, Финляндии и многих других стран. В нашей стране ГИС также нашли широкое распространение, в том числе для построения экологических оценок и прогнозов, в географии, почвоведении и лесоводстве (Трофимов, Панасюк, 1984; Рожков, 1989,1991; Рожков, Рожкова, 1993). Первые сведения о ГИС для целей мониторинга и рационального использования почв появились в печати в 1991 г. (Рожков, Столбовой, 1991). В области сельского хозяйства геоинформационные системы способны решать задачи по планированию урожая, составлению севооборотов, подбору системы удобрений, оценки плодородия земель, участвовать в выборе направления развития определённого хозяйства.
Можно рассматривать информационные системы нескольких уровней:
- региональный - составление системы по определенному региону с целью наглядной демонстрации плодородия земель, возможных урожаев основных видов культур при определённом уровне применения удобрений, принятия решений по улучшению сельского хозяйства региона.
Такие геоинформационные системы имеют большое значение для руководителей административного аппарата. (пример: возможность выращивания тех или иных сельскохозяйственных культур. Оценка затрат на получение более высоких урожаев, какие культуры наиболее выгодно выращивать в данном регионе, и т.д.)
- государственный – ГИС типов земель РФ. Важно для развития области в целом.
- локальный – на данном уровне ГИС создаётся непосредственно для определённого хозяйства, с целью увеличения эффективности использования земельного ресурса, повышения качества продукции и увеличения коэффициента рентабельности.
Изображения, полученные со спутников IKONOS, LANDSAT, SPOT успешно применяются в следующих сферах: анализ сельскохозяйственного потенциала, рациональное землепользование, определение мировых запасов пищевых продуктов, исследования биологической вариативности (выделение и идентификация различных типов с/х культур), определение ирригационных зон, страхование с/х участков, оценка ущерба, нанесенного с/х угодьям. Космическая съемка представляет собой постоянно обновляемый источник информации, который может помочь предприятиям и организациям, занятым в сельском хозяйстве, принимать правильные и оперативные решения в целях преодоления последствий наводнений, борьбы с паразитами и прогнозирования урожаев (К. Н. Дьяконов, А. В. Дончева, 2002).
Возможности применения ГИС в сельском хозяйстве:
- выделение с/х районов на фоне других типов земной поверхности;
- определение структуры почвенного покрова;
- оценка урожайности;
- определение спектральных характеристик, для использования в целях определения различных типов зерновых (рожь, пшеница и т.д.);
- высокоточное картографирование возделываемых земель;
- определение оптимальных районов сбыта с/х продукции;
- оптимизация планов транспортировки с/х продуктов на рынки сбыта;
- определение ущерба, нанесенного с/х участкам и страхование земель;
- выделение затопленных площадей;
- определение областей вымерзания озимых посевов, выявление мест скопления вредных насекомых, контроль ирригации земельных участков;
- выделение поврежденных областей и работы, связанные со страхованием земельных участков;
- определение вредного воздействия, оказываемого на состояние с/х культур в результате применения химикатов, а также под влиянием природных факторов;
- выявление районов возделывания культур, запрещенных законом;
- выделение и нанесение на карту районов, где возделываются с/х культуры, используемые в производстве наркотиков;
- планирование операций, которые необходимо предпринять в областях возделывания запрещенных законом культур;
- рациональное землепользование;
- постоянное обновление информации о структуре почвенного покрова, концентрации растительных насаждений, определение состояния и степени повреждения (заболеваемости) растений;
- выделение границ посевных площадей;
- разработка моделей, необходимых для планирования с/х деятельности (производство и разработка с/х продуктов, прогнозирование урожаев);
- изучение проблем водного режима с/х угодий (определение влажности почвенного покрова, состояния ирригационной системы, принятие мер по оптимизации гидрографической сети);
- планирование распыления пестицидов и внесения удобрений. Выделение различных типов земной поверхности, использование при планировании пахотных работ для создания оптимальных условий культивирования растений в зависимости от типа почв (Савин, 1998).
Для построения любой ГИС можно выделить следующие этапы получения и обработки данных: сбор первичных данных, ввод и хранение данных, анализ данных, анализ сценариев и принятие решений. Сбор первичных данных заключается в подборе из имеющейся информации по территории, необходимой для решения тех задач, которые должна решать ГИС. Исходя из структуры и функционирования проектируемого хозяйственного объекта и общих физико-географических и социально-экономических характеристик территории, выделяются основные факторы их взаимного влияния. На основе выделения этих общих факторов проводится подбор необходимой информации для создания ГИС. На этом этапе оценивается полнота имеющейся информации, её актуальность, возможность применения в рамках ГИС. Ввод и хранение данных в целом сводится к преобразованию бумажных картографических носителей в цифровой формат (векторизация), преобразование аэро- и космических снимков на бумажных носителях в цифровой формат (сканирование), структуризацией и приведением к единому стандарту данных полевых обследований и литературной, фондовой и архивной информации в единую базу данных с пространственной привязкой. Вся пространственная информация приводится к единой картографической проекции.
Анализ данных включает поиск и выборку данных, статистический анализ, моделирование, автоматизированное создание карт, экспертное оценивание. Геоинформационные системы нашли широкое применение в почвенных и экологических исследованиях. Электронное картографирование (оцифровка карт) - это перевод в цифровое, электронное изображение обычных бумажных карт. Это даёт возможность неограниченного числа копий, удобство и простота внесения изменений, неограниченное время хранения карт. Метод широко используется в картографии.
Система автоматического проектирования (САПР) на базе карт и ГИС: САПР позволяет нам на базе имеющихся карт и баз данных, при помощи программы составлять проект сельскохозяйственных угодий. То есть программа, сама разбивает имеющуюся площадь по полям, составляет наиболее оптимальные севообороты, для данной площади, рассчитывает дозы удобрений, оптимальные сроки проведения полевых работ (при наличии в ГИС метео карт и рекомендаций). Данный метод наиболее перспективен в почвенных исследованиях, но требует колоссальных затрат времени и сил. Моделирование: при помощи цифровых карт и программ мы можем моделировать некоторые процессы во времени, такие как развитие эрозии во времени, возможность заболачивания почв, вторичного засоления почв, составление прогноза уровня гумуса. Экологическое моделирование – на основе цифровой модели мы можем оценить последствия применения пестицидов, их деградацию, миграцию и аккумуляцию в ландшафте.
Почвенный мониторинг: при помощи данного метода мы можем проследить динамику почвенных изменений во времени. Созданная база данных постоянно дополняется результатами новых измерений. В базе данных хранятся результаты измерений проведённых в одних и тех же местах, но в разное время.
ГИС включает:
- базы данных по сельскохозяйственным землям всех форм собственности по системе геоинформационных показателей с возможностью составления отчетов по одному или комплексу заданных показателей;
- позволяет осуществлять мониторинг сквозной системы информационных показателей, организующихся по следующей схеме пространственных операционных единиц: контур землепользования – сельский округ/городская администрация – район – республика в целом и прогноз развития сельскохозяйственного землепользования;
- имеет картографический блок со слоями: почвенно-ландшафтная карта, агроэкологические карты, гидрографическая сеть (водоохранные зоны), растительность (экологический каркас), дороги, населенные пункты и постройки, природоохранные объекты и т.д.;
- содержит экспертные модули анализа показателей продуктивности сельскохозяйственных культур за прошедший период, поддержки принятия решений по краткосрочному и долгосрочному планированию землепользования и моделирования вариантов управленческих решений.
С помощью такой ГИС можно производить анализ пространственной дифференциации по заданным показателям, выявлять проблемные ареалы и возможные источники проблем. В возможности ГИС необходимо включать модуль совмещенного анализа цифровых карт и дешифрированных космоснимков. Это - технологии ближайшего будущего, на которые необходимо ориентироваться в перспективе. К возможностям технологий с использованием данных дистанционного зондирования относится: оперативное и детальное дешифрирование влагозапасов в почве, температурных полей, всех характеристик почв, эрозионных процессов, дат фенофаз растений, поврежденности посевов, прогноза урожайности и опасных для сельского хозяйства природных явлений. Развитие ГИС предусматривает создание цифровых картосхем участков землепользования с обозначением полей севооборотов, относительно которых будут накапливаться сведения по состоянию земель, урожайности сельхозкультур и агротехническим мероприятиям. Составляющие ГИС используются для разработки оптимизационных экономико-математических моделей, мониторинга сельскохозяйственного производства, составления ежегодных адресных прогнозов и рекомендаций. Разумеется, такая ГИС не решает быстро всех проблем сельскохозяйственного производства, но она обеспечивает инженерный подход к организации его прогрессивного развития. И, самое главное, альтернативы этому подходу нет.
Возможности применения ГИС для агроэкологической оценки земель
Применение ГИС для агроэкологической оценки земель позволяет перевести на новую качественную основу решение этой сложной проблемы, особенно при проектировании интенсивных систем земледелия и агротехнологий, не говоря уже о высоких агротехнологиях и адаптивно-ландшафтных системах земледелия высокой точности. Создание землеоценочной основы для точных систем земледелия практически невозможно без ГИС-технологий (Кирюшин,2006).
Главные достоинства ГИС:
1) создание цифровых топографических и тематических карт;
2) ввод графической семантированной информации;
3) хранение информации;
4) редактирование и создание классификаторов;
5) просмотр графической информации, измерение расстояний, вычисление площади, выполнение экспликации, совмещение различных тематических карт как векторным, так и в растровом виде;
6) осуществление поиска объектов по кодовой информации базы данных и выборка объектов;
7) печать графической информации в заданном масштабе;
8) конвертирование информации в форматах MapInfo и DXE