Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Интеграция геоинформационной системы и моделей при изучении агрогеосистем

В.Л. Баденко, Г.В. Баденко, Н.К. Латышев

Аннотация

В работе представлены общие методические подходы к интеграции моделей процессов и явлений наблюдаемых на территории агрогеосистемы и ГИС. Работоспособность предлагаемых подходов продемонстрирована на примере интеграции модели продукционного процесса сельскохозяйственных растений Agrotool, разработанной в Агрофизическом НИИ, и ГИС для Меньковской опытной станции (МОС), расположенной в Гатчинском районе Ленинградской области

Annotation

General methodological approaches to the integration of models of processes and phenomena observed in agrogeosystem and GIS presented. The efficiency of the approach proposed is showed on example of the integration of crop-simulation model of Agrotool, designed in the Agrophysic Institute, and GIS for Menkovo Experiment Station, located in the Gatchina district of Leningrad region.

Перспективы развития сельскохозяйственного производства во многом связаны с внедрением адаптивно-ландшафтных систем земледелия. При этом в качестве объектов изучения рассматриваются агрогеосистемы [1]. Одним из возможных методов поддержания такой геосистемы в устойчивом состоянии является использование технологий точного земледелия (ТЗ), что требует разработки адекватного информационного обеспечения [2]. Динамические имитационные модели рассматриваются как интеллектуальное ядро технологий ТЗ [3]. Однако существуют определенные проблемы при включении таких моделей в системы поддержки принятия решений (СППР) по агротехнологиям в ТЗ. Разрабатываемые для ТЗ СППР базируются на технологиях геоинформационных систем (ГИС) и поэтому необходимо разработать соответствующую технологию интеграции ГИС и моделей.

При использовании концептуальной модели реального мира, предполагающей его дискретность [4], в базе данных (БД) ГИС объекты O = {id, pos, att} имеют пространственную - pos и атрибутивную - att составляющие, которые, при использовании геореляционной схемы организации БД, связываются через идентификатор id. Тогда моделируемые объекты реального мира будем рассматривать как набор объектов:

O₁ = {id₁, pos₁, att₁}, O₂ = {id₂, pos₂, att₂}, … ,

O_N = {id_N, pos_N, att_N} (1)

Поэтому в самом общем виде, интеграцию модели в ГИС можно рассматривать как процесс комбинирования входного набора объектов БД ГИС O_i, с целью получения нового объекта О_ВЫХ:

О_ВЫХ = f (O₁, O₂, … , O_N) (2)

где f _ функция, которая описана моделью, интегрированной в среду ГИС.

Методологию интеграции моделей в ГИС следует согласовывать с основными этапами жизненного цикла СППР, создаваемых на базе ГИС [2]. Поэтому методология предусматривает предварительный анализ информации об объектах БД ГИС O = {id, pos, att}, которые представляют изучаемую территорию, и предположений модели, интегрируемой в ГИС. При этом рассматриваются свойства и особенности модели и объектов O = {id, pos, att} БД ГИС для согласования структуры БД ГИС со спецификациями входных и выходных данных модели, интегрируемой в ГИС. Также необходимо принимать во внимание те исходные (физические, химические, экологические и др.) предпосылки, на которых основана формулировка модели, например, ограничения на диапазон значений для параметров модели и другие. Процесс такого сравнительного анализа должен включать следующие процедуры:

согласование структуры и состава имеющейся в БД ГИС информации о территории со спецификациями входных данных, необходимых для выполнения расчетов по модели, а также выходных данных модели;

адаптация и согласование структуры и состава объектов O = {id, pos, att} БД ГИС с входными и выходными данными модели.

выбор метода интеграции модели в среду ГИС.

Для согласования структуры моделей и ГИС в общем случае перед применением модели в ГИС необходима трансформация существующих (исходных) объектов O_I = {id, pos, att} БД ГИС для исследуемой территории в объекты O_M = {id, pos, att}, подходящие для работы модели

O_I = {id, pos, att}O_M = {id, pos, att} (3)

Трансформация (3) заключается в том, чтобы вся изучаемая территория была разделена на однородные в некотором смысле области с учетом структуры агрогеосистемы _ O_M = {id, pos, att}. Формирование O_M определяется как особенностями конкретной модели, так и масштабом исследования. Требования к O_M определяются тем, что применение модели обосновано при условии, что O_M _ объекты моделирования, являются однородными. Поэтому главный принцип, на котором должно основываться включение моделей в ГИС, следует сформулировать так: БД ГИС, описывающая агрогеосистему, должна быть преобразована в соответствующую пространственно-однородную структуру. В процессе преобразования необходимо принимать во внимание, что, например, при расчетах по точечным моделям, O_M интерпретируются как изолированные друг от друга участки, и внутри O_M нет зон, где могли бы быть пограничные влияния.

Рассмотрим применение предложенных методов для интеграции ГИС и разработанной в АФИ системе имитационного моделирования продукционного процесса сельскохозяйственных растений Agrotool. Эта система разрабатывается более 30 лет и успешно применяется для описания сезонной динамики продукционного процесса сельскохозяйственных культур от момента сева до полного созревания [5]. Для включения уже готовой системы, которая имела вид DLL-библиотеки, в среду ГИС, пришлось решить ряд проблем на основе общего подхода, изложенного выше. Agrotool является точечной моделью, поэтому необходима была трансформация (3), что соответствует общей идеологии технологий ТЗ, которая предполагает разделение поля на квазиоднородные участки - единицы управления (ЕУ) _ и адаптацию агротехнологий для каждого их таких участков [2, 3]. Модель продукционного процесса Agrotool, реализованная в виде программного кода, рассматривается как алгоритм рекуррентного пошагового пересчета вектора состояния динамических характеристик [5]. Если x(k) - вектор переменных состояния системы на k-м шаге, то модель эквивалентна определению эволюционного оператора f

x(k + 1) = f(x(k), a w(k), u(k)) x(0) = x₀, k = 0,1,…,T-1 (4)

где k - номер шага счета; x(k), x(k + 1) - векторы состояния модели на двух соседних шагах; a - вектор статических параметров модели; w(k) - вектор неконтролируемых внешних воздействий (погода); u(k) - вектор управляющих воздействий (агротехника); x₀ - начальное условие. Здесь T - время окончания процесса моделирования, обычно совпадающее с днем уборки урожая. Расчёт по модели производят путём многократного применения оператора f к вектору начального состояния и наблюдения эволюции агрогеосистемы во времени. Для работы модели необходимо задать значения вектора параметров a, которые могут меняться по площади сельскохозяйственного поля и определяют границы объектов моделирования O_M = {id, pos, att}, являющихся ЕУ технологий ТЗ. Согласно изложенному выше методическому подходу, значения вектора параметров a извлекаются из пространственной БД ГИС. Также в БД ГИС помещаются результаты расчетов по модели для дальнейшего анализа и передачи в другие подсистемы СППР.

При апробация предложенных методов на территории агрогеосистемы МОС была построена пространственная БД ГИС МОС, в том числе с использованием данных дистанционного зондирования. Для сельскохозяйственных полей эта БД достаточно полно отражала вариабельность почвенных характеристик. В БД ГИС были выделены O_М = {id, pos, att} - однородные относительно {att} участки сельскохозяйственного поля _ ЕУ в технологии ТЗ [2]. Следует отметить, что при экспериментальном определении агрохимических показателей отбором образцов проводится из верхнего пахотного горизонта почвы и является не таким трудоемким процессом как определение агрофизических параметров, которое требует отбора почвенных образцов из почвенных горизонтов глубиной до 1 м [5]. Поэтому в среду ГИС также был интегрирован, разработанный в АФИ комплекс программ Агрогидрология [6], а также специальные алгоритмы пространственного анализа, что позволяет определять агрофизические параметры с требуемой дискретностью по глубине почвенного профиля и площади сельскохозяйственного поля.

Представленный метод интеграции ГИС и модели продукционного процесса сельскохозяйственных растений Agrotool и его реализация показали свою работоспособность. В результате возникает инструмент для проведения экспериментов с имитационной моделью, который позволяет агроному подбирать эффективные агротехнологии, адаптированные к вариабельности как агрохимических, так и агрофизических свойств почв сельскохозяйственного поля.

агрогеосистема геоинформационный почва сельскохозяйственный

Библиографический список

1. Голованов А.И., Зимин Ф.М., Козлов Д.В., Корнеев И.В., Румянцев И.С., Сурикова Т.И., Сухарев Ю.И., Шабанов В.В. Природообустройство. /Под ред. А.И. Голованова. - М.: КолосС, 2008. 552 с.

2. Баденко В.Л., Латышев Н.К., Слинчук С.Г. Особенности геоинформационного обеспечения технологий точного земледелия. //Информация и космос. 2009. № 4. С. 53-58.

3. Якушев В.П., Якушев В.В. Математические модели и методы реализации информационно-технологических приемов в точном земледелии. //Доклады РАСХН. 2008. № 4. С. 56-59.

4. Арефьев Н.В., Баденко В.Л., Криулин К.Н., Осипов г.к., Черняк М.Б. Мониторинг мелиорируемых земель на основе геоинформационных технологий. //Мелиорация и водное хозяйство. 1998. № 5. С. 41-43.

5. Полуэктов Р.А., Смоляр э.и., Терлеев В.В., Топаж А.Г. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур. _ СПб.: Изд во С-Пб. ун-та, 2006. 396 с.

6. Полуэктов Р.А., Терлеев В.В. Моделирование водоудерживающей способности почвы с использованием агрогидрологических характеристик. //Метеорология и гидрология. 2005. № 12. С. 98-103.

Размещено на Allbest.ru