Геоінформаційні технології сільського господартсва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

геоінформаційний сільський супутниковий землеробство

Актуальність теми дослідження. Використання геоінформаційних технологій в сучасних умовах функціонування галузі сільського господарства, пов'язується з персоналізацією технічних засобів обчислювальної техніки, організацією автоматизованих робочих місць (АРМ), автоматизацією збору та реєстрації інформації, переходом на переважно без паперову документацію, використання розподілених баз даних, ефективних засобів комунікації, локальних і глобальних мереж. Сьогодні дистанційне зондування Землі і ГІС тісно пов'язані між собою: на основі дешифрування знімків створюється електронна карта, вона, в свою чергу, є основою будь-якої геоінформаційної системи.

Питання раціонального використання земель сільськогосподарського призначення, яке охоплює широкий спектр економічних, правових, екологічних і технічних аспектів, неможливе без ґрунтовного вивчення стану екологічних, соціально-економічних, природно-ресурсних умов територій та їх змістовної оцінки. За допомогою ГІС здійснюється всебічне вирішення багатьох задач, пов'язаних з просторовим аналізом інформації і прогнозом явищ та обґрунтуванням головних чинників і причин, а також їх можливих наслідків, і прийняття на основі цього конструктивних рішень.

Тобто ГІС автоматизує процедури аналізу і прогнозу, дозволяє побудувати на основі цього модель того чи іншого явища. Ефективність роботи сільськогосподарських підприємств залежить від інформованості про стан земель і посівів та здатності системно аналізувати наслідки проведених робіт та заходів. Таку інформованість забезпечують дані ДЗЗ, які пізніше, після дешифрування, опрацьовуються у геоінформаційних системах.

Землевпорядкування сільськогосподарських підприємств, яке охоплює широкий спектр правових, економічних, екологічних і технічних питань, у сучасних умовах неможливе без ґрунтовного вивчення стану екологічних, соціально-економічних, природно-ресурсних умов територій, їх економічної та екологічної оцінки. Одним з основних інструментів підвищення якості підготовчих робіт до землевпорядкування сільськогосподарських підприємств є геоінформаційні технології (ГІС-технології). В останні роки залученню ГІС-технологій до землевпорядного проектування присвячені праці провідних учених - П.Г. Казьміра, Н.В. Коновалової, М.Г. Ступеня, А.М. Третяка, які розглядають ГІС як інформацію про об'єкти землеустрою, а не як цілісну систему вивчення їх сутності.

Розглядаючи підходи до створення ГІС, спеціально орієнтовані на землевпорядкування сільськогосподарських підприємств та фермерських господарств, слід зазначити, що в таких системах має нагромаджуватися й зберігатися інформація фактологічна у реляційних та аналітичних таблицях, а також комплексних електронних картах.

Для створення географічних інформаційних систем у землеустрої необхідні спеціалізовані комп'ютерні системи, що включають: набір технічних засобів, програмного забезпечення та відповідних процедур, які призначаються для збору, зберігання, обробки та відтворення великого обсягу графічних і текстових даних. Застосування ГІС-технологій у розробці проектів просторової організації агроландшафту, землевпорядкування сільськогосподарських підприємств, проти-ерозійної організації території сприятиме значному підвищенню їх якості.

Мета дослідження полягає у розгляданні підходів використання ГІС, спеціально орієнтованих на землевпорядкування сільськогосподарських підприємств та фермерських господарств.

Предметом є ефективність використання земель сільськогосподарських підприємств.

Об'єктом дослідження обрано господарства ТзОВ «Авіатор» та ТзОВ «Лан» Городенківського району Івано-Франківської області.

1. ГІС - технології в сільському господарстві

1.1 Стан використання ГІС в сільському господарстві

Сільське господарство - один з найбільш стародавніх і перспективних видів господарської діяльності людини. Можливо тому ми спостерігаємо тут максимум консерватизму і відчутне відставання у впровадженні сучасних технологій, особливо інформаційних ГІС-технологій. Звичайно, механізація значно підвищила продуктивність сільської праці, але якщо порівняти її з тим, як бурхливо розвиваються більшість галузей промислового виробництва, то сільське господарство опиниться далеко позаду. Проте, сьогодні і у нас вже зустрічаються цікаві проекти, які піднімають сільськогосподарське виробництво на якісно новий рівень.

Впровадження ГІС - технологій повинне починатися з перепису наявних виробничих ресурсів, із створення бази даних (БД). Оскільки основним ресурсом в сільському господарстві є земля, така БД обов'язково носитиме просторовий характер. Звичайно, можна перенумерувати поля і вести базу даних їх характеристик в табличному вигляді, навіть на папері. Межі полів можна закріпити на схемі і використовувати її для ілюстрації. Але така технологія не досконала. Внесення навіть простих змін в таку документацію вимагає багато ручної праці. Чим довше проводиться така БД, тим більша ймовірність появи в ній помилок, особливо якщо правки вносять різні фахівці. Часовий і просторовий аналіз даних практично не можливий. Однак, для країн, які вступають в Європейське Співтовариство, існує обов'язкова вимога функціонування національної єдиної системи (IACS) адміністративного управління, яка включає дані по всіх земельних ділянках і землекористувачах. Така система просто необхідна для ефективної реалізації програм субсидування виробників сільгосппродукції і контролю за використанням цих субсидій, сума яких по Євросоюзу складає декілька десятків мільярдів євро. У США велике число подібних і інших сільськогосподарських програм і проектів, заснованих на використанні інформаційних технологій, серед яких особливе місце відводиться ГІС.

Впровадження комп'ютерних технологій дозволяє не тільки значно спростити формування інформаційних баз даних і понизити вірогідність виникнення помилок, але і упровадити нові методи підтримки ухвалення управлінських рішень на основі аналізу даних і, зрештою, підняти продуктивність праці. Оскільки практично вся інформація про ресурси сільського господарства має просторову прив'язку, очевидно, що в якості базових інформаційних технологій краще всього використовувати геоінформаційні системи. Звичайно, це не означає, що ніякі інші технології тут не потрібні. Насправді, головна перевага сучасних засобів побудови ГІС - у їх відкритості і сумісності з іншими інформаційними технологіями (ІТ) і системами обробки даних [7].

Для створення і ведення карт та баз просторових даних сільськогосподарського призначення пропонується програма DIGITAL.

Специфічними функціями, які важливі для технологій точного землеробства, є три додаткові модулі - модуль просторового аналізу, модуль геостатистичного аналізу і модуль обробки знімків.

Перші два модуля дозволяють відновлювати картину просторового розподілу показників (наприклад, агрохімічних, або урожайних) по точкових вимірюваннях, а також досліджувати залежності між різними показниками, що впливають на продуктивність сільгоспугідь. Відмінність геостатистики від традиційних статистичних методик в тому, що тут враховується просторовий аспект досліджуваних явищ. Можна виявляти не тільки часові, але і просторові тренди, враховувати вплив і взаємозв'язки різних чинників не тільки в часовому, але і в просторовому контексті.

Важливим чинником інформатизації сільського господарства, у тому числі і впровадження ГІС, є віддаленість користувачів (фахівців господарств) від крупних міст, що мають розвинену інформаційну інфраструктуру. Програма DIGITAL можє працювати і з локальними даними, що знаходяться на тому ж комп'ютері, і будь-якими іншими наборами даних, доступними через Інтернет за допомогою інтернет-сервера [9].

1.2 ГІС для управління

Застосування геоінформаційних технологій в сільському господарстві можливо і на державному, і на регіональному, і на місцевому рівнях, аж до окремого господарства. Оскільки завдання на цих рівнях різні, відповідно, розрізняються і дані, які використовуються та засоби роботи з ними. При використанні єдиної системи забезпечується як вертикальна (між різними рівнями управління), так і горизонтальна (між господарствами або організаціями одного рівня) сумісність за даними і програмними продуктами. На державному рівні актуальні такі завдання, як формування сільськогосподарської політики, ліцензування і контроль виробництва продуктів масового споживання, прогнозування валового збору різних сільськогосподарських культур, моніторинг природних умов і використання земель, контроль інформації, що поступає «знизу».

Якнайкраще застосування тут можуть знайти серверні програмні продукти для підтримки централізованого реєстру земель сільськогосподарського призначення, баз даних господарств. Всі ці об'єкти мають деяке положення і протяжність в просторі, тому тільки технологія просторових баз даних (інакше званих базами геоданих) може гарантувати адекватне комп'ютерне представлення цієї інформації. Причому простого ГІС-пакету тут недостатньо, - наприклад, в США є десятки тисяч господарств, мільйони ділянок, і лише спеціальні засоби управління великими просторовими базами даних можуть справитися з такими об'ємами.

До даних ГІС повинен бути забезпечений відповідний доступ. Розвиток комп'ютерних мереж дозволяє сьогодні за долі секунди зв'язувати комп'ютери, що знаходяться в різних точках країни [7].

Загальне проникнення Інтернету забезпечує швидкий обмін інформацією між фахівцями, а також представлення інформації всім зацікавленим особам. Графічний характер Всесвітньої павутини (www) призводить до того, що в ній стає все більш популярним представлення карт.

Проте карта у вигляді простої картинки нині має вже невелику цінність - інтерактивність будь-якого настільного ГІС-пакета більш значуща. Оптимальним рішенням для передачі картографічних даних через Інтернет і представлення карт у Вебі є картографічний інтернет-сервер. Завдяки ньому користувачі настільних продуктів можуть діставати доступ до картографічних матеріалів з будь-якої точки Землі, де є підключення до Інтернету. Цей же продукт може використовуватися у внутрішніх мережах організацій для забезпечення доступу до карт на центральному сервері через Інтранет. На рівні окремого господарства або групи господарств ГІС-технології також необхідні, і сьогодні в індустріально розвинених країнах можна спостерігати справжній бум нового напряму під назвою - точне землеробство. Суть його в тому, що обробка полів проводиться залежно від реальних потреб вирощуваних в даному місці культур. Ці потреби визначаються за допомогою сучасних інформаційних технологій, включаючи космічну зйомку, причому часто засоби обробки диференціюються в межах різних ділянок поля, даючи максимальний ефект при мінімальному збитку навколишньому середовищу і зниженні загальної витрати поживних речовин.

Звичайно, варіювати внесення хімікатів і поживних речовин можна і вручну, проте науково обґрунтований підхід ефективніший.

Накопичення статистики обробки (куди і скільки внесли кожної речовини) і отриманих результатів (врожайність) дозволяє застосовувати різні види аналізу (регресійний, факторний та ін.) з тим, щоб надалі корегувати дози поживних речовин для отримання максимуму віддачі на кожну гривню, що вкладається в обробку.

Сучасні СУБД включають засоби статистичного аналізу, що дозволяють проводити такий аналіз по окремих полях. Але якщо ми захочемо зробити аналіз детальнішим і точним шляхом розбиття поля на невеликі однорідні ділянки, то тут будуть потрібні вже засоби просторового аналізу. Саме такий підхід вважається оптимальним в ідеології точного землеробства. За допомогою цих засобів по кожній елементарній ділянці можна аналізувати вплив рельєфу, характеристик ґрунту, гідрологічного і гідролого-меліоративного режиму, історії внесення агрохімікатів, а також виявляти проблемні ділянки, які не вписуються в наявну агрономічну модель, і на цій основі її удосконалювати.

Слід відзначити що для окремого невеликого господарства проводити такий аналіз нереально (немає ні фахівців, ні економічно виправданого завантаження програмно-технічних засобів), проте цілком можливо застосування методик, розроблених у державному або регіональному дослідницьких центрах в системі ландшафтних меліорацій. Тобто, в господарствах потрібні лише прості у використанні інструменти кінцевого користувача, створювати які можуть регіональні і державні підрозділи. Використання єдиної масштабованої програмної технології, дозволяє, з одного боку, проводити аналіз будь-якої складності і розробляти методики, а з іншої - поставляти кінцевим користувачам рішення мінімальної вартості [12].

1.3 Використання земель сільськогосподарського призначення засобами ГІС

Використання геоінформаційних технологій у сучасних умовах функціонування галузі сільського господарства, пов'язується з персоналізацією технічних засобів обчислювальної техніки, організацією автоматизованих робочих місць (АРМ), автоматизацією збору та реєстрації інформації, переходом на переважно безпаперову документацію, використання розподілених баз даних, ефективних засобів комунікації, локальних і глобальних мереж.

Сьогодні дистанційне зондування Землі і ГІС тісно пов'язані між собою: на основі дешифрування знімків створюється електронна карта, вона, в свою чергу, є основою будь-якої геоінформаційної системи. Питання раціонального використання земель сільськогосподарського призначення, яке охоплює широкий спектр економічних, правових, екологічних і технічних аспектів, неможливе без ґрунтовного вивчення стану екологічних, соціально-економічних, природно-ресурсних умов територій та їх змістовної оцінки. За допомогою ГІС здійснюється всебічне вирішення багатьох задач, пов'язаних з просторовим аналізом інформації і прогнозом явищ та обґрунтуванням головних чинників і причин, а також їх можливих наслідків, і прийняття на основі цього конструктивних рішень. Тобто ГІС автоматизує процедури аналізу і прогнозу, дозволяє побудувати на основі цього модель того чи іншого явища. Ефективність роботи сільськогосподарських підприємств залежить від інформованості про стан земель і посівів та здатності системно аналізувати наслідки проведених робіт та заходів. Таку інформованість забезпечують дані ДЗЗ, які пізніше, після дешифрування, опрацьовуються в геоінформаційних системах [11].

Для цілей забезпечення найточнішою та оперативною інформацією здійснюється космічний моніторинг земель, в якому зацікавлені як виробники сільськогосподарської продукції, так і державні органи. З одного боку, оперативна та детальна інформація про стан вирощуваних культур дозволяє ефективно планувати агрономічні заходи й досягати максимальних урожаїв. З іншого боку, дані ДЗЗ - незалежне і об'єктивне джерело інформації для органів державної влади. Ці дані можуть використовуватись для здійснення кадастру земель сільськогосподарського призначення, проведення їх оцінки, перевірки і уточнення меж сільськогосподарських угідь, контролю цільового використання земель.

Відомо, що сільськогосподарське виробництво схильне до значних ризиків, обумовлених погодними умовами, і вже зараз ГІС є цінним помічником у веденні баз даних статистики сільськогосподарського виробництва та аналізу чинників ризику.

Отже, все вище зазначене вже вкотре доводить надзвичайну актуальність і необхідність всебічного застосування ГІС та методів ДЗЗ, особливо для аналізу інформації про екологічний стан земель сільськогосподарського призначення (чи будь-яких інших земель), для обґрунтування сівозмін та багатьох інших цілей. При умові врахування та застосування на практиці інформації, отриманої з ГІС та (або) ДЗЗ, можливе здійснення правильного розрахунку та втілення в життя всіх агротехнічних, екологічних, соціально-економічних та інших заходів. Тоді використання земель про які йде мова і буде раціональним [8].

2. Використання супутникових даних в сільському господарстві

2.1 Системи спостереження

Спостереження за полями проводиться різними способами: об'їзд полів, збір та аналіз зразків, використання датчиків і аерозйомки. При поточному рівні розвитку технологій можна запустити безпілотник, оснащений датчиками та обладнанням для фото або відеозйомки, запас палива якого дозволяє йому здійснювати політ тривалістю близько півгодини. Однак складність в управлінні та утриманні такої техніки, а також розмір сільгоспугідь від 100 га роблять таку схему роботи дорогою і важкореалізованою. Для таких масштабів у світовій практиці частіше використовуються космічні зйомки з супутників, обробка яких дозволяє спостерігати за посівами і на основі обробки таких знімків із накладенням у червоному та інфрачервоному спектрі приймати рішення про «точкове» внесення добрив, інсектицидів або гербіцидів, поливі або інших діях. Крім того, дані таких програм можна завантажувати на будь-який електронний носій або в бортовий комп'ютер сільськогосподарської техніки; що значно спрощує постановку завдання працівникам агропідприємства.

Системи спостереження за станом посівів зі супутника вже успішно використовуються у багатьох країнах Америки, Європи та СНД. Найбільш відомими і ефективними провайдерами цього сервісу є такі компанії, як Cropio (США/Німеччина), eLeaf (Голландія), PrecisionAgriculture (Австралія), Astrium-Geo (Франція), MapExpert (Україна), Вега (Росія). Використання цих систем дозволяє не тільки оперативно стежити за станом полів, але й у режимі реального часу отримувати звіти і повідомлення про найбільш важливі події по Інтернету або смс; робити прогнози по врожайності полів і всього господарства цілком; отримувати супутню інформацію про ринки сільгосппродукції, котирування валют і ціни сільськогосподарських товарів на окремих біржах; зіставляти поточні та історичні значення індексів вегетації, вологості грунту, вмісту добрив [1].

2.2 Супутниковий моніторинг посівів

Одним з важливих джерел отримання с/г. інформації є дані супутникової зйомки, які характеризуються надійністю, оперативністю отримання і масштабністю (миттєвий огляд як окремих об'єктів земної поверхні на знімках високої просторового дозволу, так і великих за територіальним розміром регіонів на знімках низького дозволу).

Супутниковий моніторинг посівів - технологія онлайн спостереження за змінами індексу вегетації, отриманих за допомогою спектрального аналізу супутникових знімків високого дозволу, на окремих полях або для окремих сільськогосподарських культур; яке дозволяє відстежувати позитивні та негативні динаміки розвитку рослин.

Різниця в динаміці індексу вегетації повідомляє про диспропорції у розвитку в межах однієї культури або поля, що свідчить про необхідність проведення додаткових с/г. робіт на окремих ділянках - тому технологію відносять до методик точного землеробства.

Широке застосування отримали дані спектрометричних вимірювань земної поверхні з метеорологічних і природоресурсних штучних супутників Землі LANDSAT (США), SPOT (Франція), РЕСУРС (Росія), IRS (Індія), NOAA (США). Досвід наукового аналізу супутникової інформації свідчить про принципову можливість використання даних багатоспектральної супутникової зйомки для моніторингу посівів сільськогосподарських культур: визначення структури посівних площ, параметрів рослинного покриву, стану польових культур та інших інформативних ознак.

Істотною перевагою також є високий рівень автоматизації процесів спостереження за посівами та його інтерпретація в зрозумілу для широкого кола користувачів інтерактивну карту.

Найбільш ефективне застосування GPS і GIS-технологій можливе лише за умови тісної співпраці з системою постійного дистанційного контролю посівів на полях. Ця схема передбачає задіяти меншу кількість працівників в організації спостереження, планування робіт на полях і підтримку комунікації між окремими кластерами агропідприємств. Система контролю вегетації виконує постійний оперативний моніторинг полів агрокомпанії незалежно від того, на якій відстані один від одного вони знаходяться, і які культури на них посіяні. У разі виникнення аномального для кожного з посівів «плями» відповідна посадова особа отримує повідомлення, на підставі якого агрономи приймають рішення про внесення добрив, проведення поливу або інших заходів. Слід відразу зауважити, що інші способи моніторингу посівів (об'їзд на легковій машині, установка спеціальної техніки спостереження на дільницях, відбір зразків для лабораторного аналізу тощо) є набагато менш інформативним і вимагає великих витрат часу і коштів. Крім того, кожне подібне спостереження складніше організувати і провести, ніж просто завантажити з будь-якого комп'ютера з доступом до Інтернету необхідні поточні дані, їх історію та їх автоматичну інтерпретацію [5].

Космічні знімки: рішення для сільського господарства.

Історично склалося, що роль сільського господарства для України досить велика. Великі території, які займаються сільськогосподарськими угіддями, досить складно контролювати через нестачу точних карт, нерозвинену мережу пунктів оперативного моніторингу, наземних станцій, у тому числі і метеорологічних, відсутність авіаційної підтримки, зважаючи на дорожнечу і т.д. Крім того, в силу різного роду природних процесів, відбувається постійна зміна кордонів посівних площ, характеристик грунтів та умов вегетації на різних полях і від ділянки до ділянки.

Всі ці фактори перешкоджають отриманню об'єктивної, оперативної інформації, необхідної для констатації поточної ситуації, її оцінки та прогнозування. А без цього практично неможливі збільшення виробництва сільськогосподарської продукції, оптимізація використання земель, прогнозування врожайності, зменшення витрат та підвищення рентабельності.

За кордоном аналогічні проблеми успішно вирішуються завдяки застосуванню даних аеро та космічної зйомки, а також широкого використання засобів супутникової навігації (GPS) при моніторингу посівів і при зборі врожаю, для вивчення стану рослинного покриву та прогнозу продуктивності вирощувальних культур.

У нашій країні використання даних супутникового зондування в сільському господарстві на даний момент перспективний напрямок, що швидко розвивається. Матеріали космічної зйомки можуть допомогти як для вирішення комплексних завдань управління сільськогосподарськими територіями, так і у вузькоспеціалізованих напрямках.

Типовими завданнями в цій галузі є:

· визначення категорій типів сільськогосподарських посівів (зернові, олійні, технічні, овочеві та ін.);

· поточний контроль за станом сільськогосподарських посівів, оцінка схожості, засміченості, ступеня стиглості сільськогосподарських культур; раннє прогнозування характеристик врожайності тих чи інших культур на базі поточного стану посівів;

· повний моніторинг темпів збирання врожаю одночасно на території цілих регіонів, отримання незалежної та об'єктивної статистичної інформації про обсяги продуктів рослинництва, зібраних в тих чи інших господарствах з метою усунення випадкових або навмисних спотворень офіційної статистики, приховування доходів, вдосконалення оподаткування;

· виявлення та прогнозування несприятливих явищ, пов'язаних із сільськогосподарським природокористуванням (вітрова та водна ерозія, засолення, підбурювання рослинності, витоптування ґрунтів худобою і т.д.) з метою врахування цих процесів при плануванні сільськогосподарського природокористування;

· вивчення природних умов, що сприяють, або перешкоджають активній сільськогосподарській діяльності (виявлення плоских заболочених ділянок, різких перегинів рельєфу тощо з застосуванням ЦМР).

Наприклад, знаючи, як змінюється спектральна яскравість рослинності протягом вегетаційного періоду можна за тоном зображення полів судити про їх агротехнічний стан. Після перезимівлі стан озимих культур оцінюється за розходженням в кольорі здорових і загиблих рослин, стан озимих та ярих до збирання врожаю на основі врахування ступеня покриття травостоєм і його рівномірності [6].

2.3 ДЗЗ в сільському господарстві

Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) займає особливе місце в системі геоінформаційних систем і технологій, які застосовуються в сільському господарстві. В Україні цей напрям практично не розвинений, тоді як, наприклад, у Франції АПК - найважливіший споживач космічних знімків з супутників SPOT. Хоча ця знімальна система є комерційною, значну частину витрат бере на себе держава, і в періоди вегетації сільськогосподарських культур АПК має найбільш високий пріоритет в проведенні зйомок з космосу, серед інших споживачів. Сільськогосподарське виробництво відіграє центральну роль в економіці Франції, і керівництво цієї країни усвідомлює необхідність фінансування сучасних інформаційних технологій, що суттєво підвищують ефективність сільського господарства.

У космічному моніторингу земель сільськогосподарського призначення зацікавлені як виробники сільгосппродукції, так державні служби. З одного боку, оперативна і детальна інформація про стан вирощуваних культур дозволяє ефективно планувати агрономічні заходи і досягати максимальних урожаїв. З іншого боку, дані ДЗЗ - незалежне і об'єктивне джерело інформації для державних служб. Ці дані можуть використовуватися для складання кадастру земель сільськогосподарського призначення, проведення їх оцінки, перевірки і уточнення меж сільгоспугідь, контролю цільового використання земель.

Основним програмним продуктом роботи з даними ДЗЗ, є програми обробки зображень, де є функції, необхідні для застосування даних ДЗЗ в сільському господарстві. Так, наприклад, GPS Tool - інструмент підтримки GPS-приймачів - дозволяє безпосередньо на екрані комп'ютера спостерігати поточне положення користувача на електронній карті або космознімку. Якщо встановити цей продукт на мобільний комп'ютер і зв'язати його з GPS-приймачем, то вийде мобільний комплекс, що дозволяє у реальному часі проводити координатну зйомку меж між полями, доріг та інших об'єктів, порівнювати їх стан із зображенням на знімку, поповнювати базу даних з описами поля і об'єктів сільської інфраструктури;

Нещодавно для прогнозування урожаю в масштабах цілої країни або регіону додався новий інструмент - ДЗЗ. Ця методика застосовується для оцінки економічного потенціалу у виробництві сільгосппродукції, коли наземні дані просто недоступні. Історія ДЗЗ налічує декілька десятиліть, і програмні засоби для роботи з даними ДЗЗ пройшли певний шлях розвитку. Разом з інструментами, що стали класичними, з'являються все нові розробки.

Так, наприклад, програма яка вирішує завдання автоматичного дешифрування знімків на основі бази знань (БЗ), що створюється користувачем. Вона дозволяє в автоматичному режимі дешифрувати контури об'єктів (поля), визначати їх стан (вологість, біомаса), однорідність характеристик. Великий набір дешифровочних ознак дозволяє вирішувати і такі задачі, які раніше виконувалися тільки вручну.

Геоінформаційні технології знаходять все нове застосування в АПК. Відомо, що сільськогосподарське виробництво схильне до значних ризиків, обумовлених погодними умовами, і вже нині ГІС здійснюють цінну підмогу у формуванні баз даних статистики сільськогосподарського виробництва і аналізу чинників ризику. ГІС-технології дозволяють страховикам і фермерам знаходити спільну мову в оцінці збитку, адже ті, та інші можуть використовувати цю технологію як об'єктивне і оперативне джерело інформації [1].

3. ГІС - для підвищення ефективності ведення землеробства в сільськогосподарських підприємствах

3.1 Створення географічно-інформаційних систем на території підприємств

Загальні положення

Географічно-інформаційні системи (ГІС) - це програмно-технічний комплекс, що забезпечує автоматизований збір, обробку, зберігання, аналіз, відображення і розповсюдження просторово-координованої інформації. Ця сучасна комп'ютерна технологія забезпечує інтеграцію баз даних та операцій над ними, таких як запит і статистичний аналіз, з потужними засобами подання даних, результатів запитів, вибірок і аналітичних розрахунків у наглядній, легко читаємій картографічній формі.

Практично у кожній сфері діяльності присутня інформація, відображена у вигляді карт, планів, схем, діаграм тощо. Це може бути схема міста чи план будинку, карта екологічного моніторингу території або схема взаємозв'язку між офісами компанії, атлас земельного кадастру чи карта природних ресурсів та ін. ГІС дає можливість накопичувати і аналізувати таку інформацію, оперативно знаходити потрібні відомості та відображати їх у зручному для використання вигляді. Застосування ГІС-технологій дозволяє різко підвищити оперативність і якість роботи з просторово-координованою інформацією у порівнянні з традиційними «паперовими» методами.

Використовуючи ГІС-технології, відкриваються можливості:

· виводити на екран комп'ютера одну чи декілька цікавих карт (схем, планів тощо), легко змінюючи детальність зображення, збільшуючи чи зменшуючи окремі елементи карти. Наприклад, вибравши на карті міста потрібний будинок, ви можете вивести його великим планом і роздивитися шляхи під'їзду до нього, керувати тематичним складом інформації, яка зображується, наприклад, на карті корисних копалин можна відключити видимість непотрібних у цей момент видів ресурсів і річкової мережі, залишивши між тим видимою мережу шляхів, вказавши на карті будь-який об'єкт, отримати інформацію про нього. Наприклад, вказавши об'єкт нерухомості, можна дізнатись його вартість, хто є його господарем, який стан об'єкта, отримати фотографії та інше. Вибравши розташоване поблизу промислове підприємство, можна отримати дані про його профіль, вплив на екологію району і т.д. Ряд геометричних характеристик об'єктів (довжину вулиці, відстань між містами, площу лісового масиву) можна виміряти безпосередньо на екрані, використавши засоби ГІС;

· використовувати ГІС як пошукову систему. В цьому випадку складаєте запит, у якому перераховуєте властивості об'єктів, а система виділяє на карті відповідні об'єкти. Наприклад, працюючи з ГІС кадастру земельних ресурсів, можна поставити вимогу показати на карті земельні ділянки площею не менші 0,01 га, розташовані не далі 5 км від залізничної станції і одночасно не далі 1 км від навколишніх водойм.

Спеціальні засоби дозволяють проводити аналітичну обробку даних, а у більш складних випадках - моделювання реальних подій. Результати обробки також можна побачити на екрані комп'ютера. Наприклад, можна оперативно прогнозувати можливі місця розривів на трасі трубопроводу, прослідкувати на карті шляхи розповсюдження забруднень та оцінити ймовірні збитки природному середовищу, розрахувати об'єм коштів, потрібних для усунення наслідків аварії. Іншим прикладом може бути задача оптимізації вартості перевезень вантажів між населеними пунктами з урахуванням характеристик транспортної мережі, об'єму перевезень та інших умов. Найбільш складні технологічні рішення включають в себе експертну підтримку і дозволяють отримувати на виході обгрунтовані висновки, придатні для прийняття конкретних рішень.

Для більшості типів просторових операцій кінцевим результатом є відображення даних у вигляді карти чи графіка. ГІС надає нові чудові інструменти, які розширюють і розвивають майстерність та наукові засади картографії. З їх допомогою візуалізація карт може бути легко доповнена звітними документами, тривимірними зображеннями, графіками і таблицями, фотографіями та іншими засобами, в тому числі мультимедійними.

Використання ГІС на території підприємств дозволяє:

· робити просторові запити та проводити аналіз.

Здатність ГІС проводити пошук в базах даних і здійснювати просторові запити дозволяє компаніям заощадити значні кошти. ГІС допомагає зменшити час отримання відповідей на запити клієнтів; виявити території, придатні для необхідних заходів; винайти взаємозв'язки між різними параметрами (наприклад, грунтами, кліматом та врожайністю);

· поліпшити інтеграцію у середині організації.

Більшість підприємств, які використовують ГІС-технології виявили, що одна з основних її переваг полягає у нових можливостях поліпшення керування власною організацією та її ресурсами на основі географічного об'єднання існуючих даних та можливості їх спільного використання і узгодженої модифікації різними підрозділами. Можливість спільного використання бази даних, яка постійно нарощується і виправляється різними структурними підрозділами, дозволяє підвищити ефективність роботи як кожного підрозділу, так і підприємства в цілому;

· прийняття більш обгрунтованих рішень.

ГІС допомагають прискорити і підвищити ефективність процедури прийняття рішень, забезпечують відповіді на запити і функції аналізу просторових даних, відображення результатів аналізу в наочному і зручному для сприйняття вигляді. ГІС вирішують, наприклад, такі завдання, як надання різноманітної інформації по запитам органів планування, вирішення територіальних конфліктів, вибір оптимальних (з різних точок зору та за різними критеріями) місць для розміщення об'єктів і т. п. Необхідна для прийняття рішень інформація може бути представлена у лаконічній картографічній формі з додатковими текстовими поясненнями, графіками та діаграмами;

· створення карт.

Процес створення карт в ГІС набагато простіший та гнучкіший, ніж в традиційних методах ручного або автоматичного картографування. Він починається зі створення бази даних. У якості джерела отримання вихідних даних можна користуватися і оцифровкою звичайних паперових карт. На основі таких баз даних можна створювати карти (в електронному вигляді або як тверді копії) на будь-яку територію, будь-якого масштабу, з потрібним навантаженням, з її виділенням та відображенням потрібними символами. У будь-який час база даних може поповнюватися новими даними (наприклад, з інших баз даних), а існуючі в ній дані можуть корегуватися в разі необхідності [4].

3.2 ГІС для цілей сільськогосподарського підприємства

Основні сфери застосування ГІС у сільському господарстві - підвищення виробництва сільськогосподарської продукції, оптимізація її транспортування і збуту. У якості прикладу можна привести вдалий досвід декотрих компаній по оцінці необхідної кількості і оптимізації доставки добрив і отрутохімікатів сільгосппідприємствам. Сільськогосподарські підприємства використовують ГІС для просторового аналізу і моніторингу тенденцій продуктивності сільськогосподарського виробництва. Страхові компанії використовують ГІС для оцінки ризиків і уточнення страхових внесків при страхуванні врожаю. Постачальники сільськогосподарського обладнання, добрив і отрутохімікатів використовують ГІС для рекламування і збуту власної продукції у сільськогосподарських регіонах, пошуку оптимальних маршрутів доставки продукції автомобільним, водним і залізничним транспортом.

Загалом комплексна ГІС на сільськогосподарські підприємства найчастіше включає в себе такі цифрові карти, як карти вмісту мінеральних речовин у грунті, типів і характеристик грунтів, карти схилів (з цифровою моделлю рельєфу) і експозицій схилів, погодних, кліматичних і гідрологічних умов. Цифрові карти є надзвичайно важливою інформацією через низку послідовних факторів, таких як врожайність і тип посівів, тип механічної і хімічної обробки грунтів, просторовий розподіл хвороб культур і динаміка розповсюдження шкідливих комах. При наявності такої інформації відкриваються необмежені можливості аналізу, прогнозу і оптимізації діяльності сільгосппідприємств [5].

Панорама АГРО

Географічна інформаційна система «Панорама АГРО» призначена для комплексної автоматизації управління сільськогосподарським підприємством у галузі рослинництва і забезпечує рішення двох взаємопов'язаних завдань: управління аграрними технологіями і моніторинг рухомих технічних засобів компанії на основі GPS/ГЛОНАСС навігації.

Система умовно складається із трьох блоків апаратно-програмних засобів:

Рис. 3.2.1.1. Модель комплектації системи GPS спостереження

1) Мобільний блок (бортове обладнання об'єктів моніторингу):

· програмований логічний контролер (GPS-трекер);

· датчики рівня палива;

· інші датчики; комплект голосового (гучномовного) зв'язку.

2) Серверний блок (центр збору даних):

· GPRS-сервер - статична IP адреса для прийому інформації, програмне забезпечення по прийомці та обробці навігаційних даних;

· система керування базами даних (СКБД Microsoft SQL Server 2005/2008);

· програмне забезпечення системи моніторингу;

3) Клієнтський блок (робоче місце оператора системи):

· програмне забезпечення ГІС «Панорама АГРО»;

· програмне забезпечення ГІС «Карта 2011»;

· програмне забезпечення на платформі «1С8» - ІАС «Агрохолдинг».

Збір інформація для функціонування системи здійснюється в основному в автоматизованому режимі. Апаратні (бортові) засоби системи моніторингу забезпечують прийом GPS-сигналів, збір вимірювань від установлених датчиків, формування і передачу пакета даних (навігаційних та вимірювань) по встановлених параметрах на GPRS-сервер. Для передачі даних використовується GSM-модем та SIM-карта. Передача здійснюється з використанням GPRS каналу по мережі Internet. Крім даних, що збираються в автоматичному режимі, система дозволяє здійснювати імпорт інформації із носіїв даних (flash-пам'ять), інших ГІС, або ручне введення з журналів обліку й реєстрації.

Основні функції ГІС «Панорама АГРО»:

· ведення нормативно-довідкової інформації;

· ведення паспортів полів з прив'язкою до року урожаю;

· ведення агрохімічного моніторингу сільськогосподарських угідь;

· планування і облік переміщень автотранспорту і спеціальної техніки;

· обробка навігаційних даних і контроль переміщень автотранспорту і спеціальної техніки;

· аналіз показників моніторингу на графіках;

· формування і аналіз подій, що відбуваються з об'єктами моніторингу;

· планування і облік технологічних операцій відповідно до встановленої сівозміни.

Ведення бази нормативно-довідкової документації здійснюється засобами убудованої підсистеми «Список довідників». Вся нормативна інформація представлена у вигляді дерева довідників, розділених по наступних основних категоріях:

· базові довідники;

· нормативні дані про склад ґрунтів;

· нормативно-довідкова інформація про вирощувані культури;

· відомості про добрива, засоби захисту рослин і хімічної меліорації;

· технологічний довідник сільськогосподарського підприємства;

· відомості про технічні засоби;

· відомості про персонал;

· нормативно-довідкова інформація з агротехнічних заходів.

Рис. 3.2.1.2. Вигляд робочого вікна ГІС Панорама АГРО із заповненою БД

Облік сільськогосподарських угідь та агрохімічний моніторинг виконуються на основі геопросторової прив'язки даних. Засоби екранної навігації дозволяють при виборі поля на карті переглядати його характеристики й, навпаки, при перегляді параметрів сільськогосподарського угіддя оцінивати його розміщення на місцевості. Основними функціями підсистеми є:

· одержання геометричних параметрів полів і робітничих ділянок (площа, периметр);

· розрахунок відстаней між полями й іншими об'єктами карти;

· ведення даних про сільськогосподарські угіддя з урахуванням прив'язки до року врожаю;

· перегляд й аналіз тематичних карт агрохімічного моніторингу полів, оброблюваної культури, внесених добрив, урожайності, економічної ефективності культури та ін.;

· формування статистичних довідок і звітів на підставі вибірок і запитів користувача.

Рис. 3.2.1.3. Облік сільськогосподарських угідь та агрохімічний моніторинг

Контроль переміщення техніки призначений для візуального аналізу на фоні геопросторових даних переміщень рухомих технічних засобів підприємства, а також для забезпечення даними системи автоматичного обліку фактично виконаних робіт. Підсистема візуального контролю функціонує на основі даних, що надходять від навігаційної апаратури, встановленої на технічних засобах, і забезпечує виконання наступних функцій:

· ведення списку (довідників) технічних засобів, на яких установлена навігаційна апаратура та додаткові датчики;

· управління системою відображення технічних засобів;

· відображення техніки в режимі реального часу;

· перегляд інформації за визначений період («історія переміщень»);

· перегляд параметрів моніторингу (швидкість, пройдена відстань, оброблена площа, витрата пального та ін.);

· встановлення голосового зв'язку з водієм/механізатором [14].

Рис. 3.2.1.4. Контроль переміщення техніки

Планування й облік фактичних робіт дозволяє вести єдине планування й облік механізованих робіт, а також облік фактично виконаних робіт з угрупованням по функціональному призначенню: внесення добрив, внесення меліорантів, внесення засобів захисту рослин та ін. Облік механізованих робіт здійснюється на основі щоденного планування й автоматизованого заповнення даних по факту виконаних робіт. Фактичний обсяг робіт розраховується програмою на основі даних GPS-моніторингу техніки. Основні функції підсистеми:

· формування планового завдання водієві/механізаторові на день;

· одержання даних від підсистеми моніторингу переміщень техніки;

· розрахунок фактичних параметрів (пройдена відстань, оброблена площа, витрата пального);

· формування графіків поточної витрати палива;

· заповнення й редагування бланка фактично виконаних робіт;

· формування довідок і звітів;

Рис. 3.2.1.5. Планування та облік фактичних робіт

АО Агро ГІС

АО Агро ГІС (графічна інформаційна система) - розширюють можливості класичної карти господарства. Новітня ГІС система використовує дані польового журналу для обєднання їх з графічними площами в ГІС, вузуалізує їх, а разом з тим формує основу для картографування урожаю і точного землеробства.

Рис. 3.2.2.1. Вимірювання площі та відстані в АО Агро ГІС

АО Агро ГІС - це початок графічному управлінню площами і точному землеробству. За допомогою цього модуля можна керувати графічно вашими ділянками, обробляти аерофотознімки і проводити ваші власні виміри GPS. Імпортовані фонові топографічні карти, фотографії з повітря, космосу, кадастрові карти, які є основою графічного управління площ.

Цей модуль дозволяє отримати:

· Графічне управління вашими ділянками.

· Експорт/імпорт ГІС ділянок.

· Підтримка більшості відомих форматів.

· Підтримка більшості інтегрованих слоїв (напр. землі не сх. використання).

· Можливість створення власних тематичних слоїв.

· Можливість ділення з підвищеною точністю ваших ділянок (графічно).

· Друк різних тематичних звітів.

· Використання функцій вимірювання відстаней, площ, встановлення міток.

· Підтримка фонових карт (кадастру, господарських, фотографій з повітря).

Ви отримаєте можливість використовувати всі можливості ГІС: зчитувати карти урожайності різних виробників техніки (.shp формат), інші формати даних внесення засобів (наприклад N-Sensor). Обробляти ваші цифрові кадастрові карти за допомогою графічного модуля і здійснювати високоточне розділення ділянок [15].

Рис. 3.2.2.2. Управління ділянками з використанням фонових зображень

АО Агро ГІС дозволяє управління ділянками з використанням фонових зображень з повітря, топографічних карт, кадастрових карт та інш. Імпортуйте вимірювання ділянок за допомогою GPS, отримані своїми силами або дозвольте це виконати спеціалізованими фірмами. Вимірюйте в программі відстані, площі. Створюйте професійний ГІС.

GIS WebServer

GIS WebServer призначений для публікації в мережах Інтернет / Інтранет всього спектру геопросторових даних - електронних карт, даних ДЗЗ і інформації з Баз Даних (БД). Забезпечується робота з атласом карт, що дозволяє інтегрувати різні просторові дані. Додаток використовує технологію комплексної обробки статичних (фонові карти, растри, матриці, космічні знімки) і динамічних даних (навігація і моніторинг в режимі реального часу, банк просторових даних, оперативна обстановка). Статична інформація виводиться в браузер при першому зверненні до неї і кешируєтся. При подальшій роботі клієнт отримує тільки динамічні дані.

Рис. 3.2.3.1. Оглядова база просторових даних на Земну поверхню

GIS WebServer є основою корпоративної ГІС-платформи для спільної роботи web-клієнтів і настільних додатків. В рамках системи користувачі настільних додатків (ГВС «Карта 2011», ГІС «Оператор», ГІС Панорама Міні та інші) і користувачі web-додатків можуть одночасно працювати з одними і тими ж джерелами даних, виконувати їх узгоджене зміна і перегляд. Платформа впроваджується в компаніях, що працюють в ресурсодобивающій, енергетичній та сільськогосподарській сферах, а також в органах державного управління [17].

Рис. 3.2.3.2. Приклад вбудовування GIS WebServer в існуючий сайт

3.3 Господарство ТзОВ «Авіатор» та ТзОВ «Лан» Городенківського району Івано-Франківської області

Рельєф господарства рівнинний з плоскими вододілами та широкими пологими схилами, які переходять у лощини. Грунти господарства - чорноземи звичайні. Площа землекористування складає 8670 га, з них 7568 га сільськогосподарських угідь.

Для агроекологічної типізації використовувалися різноманітні матеріали: топографічна карта масштабу 1:10 000, грунтові карти, матеріали агрохімічного обстеження грунтів, проект землеустрою, а також космічні знімки фірм Digital Globe (США) високої роздільної здатності (із сайту Google), знімки Lansad 7 ЕTM. Побудова електронних карт та їх аналіз здійснювалися з використанням геоінформаційних продуктів ArcGIS 9.3 та векторизатора Easy Trace.

Результати досліджень. У результаті використання ГІС-технологій було створено електронну базу сільськогосподарських підприємств СТОВ «Авіатор» та НДГ «Лан», яка включала багатошарову електронну карту землекористування господарства, карту експлікації полів і атрибутивну базу даних історії полів, із урахуванням виконаних на них агротехнічних заходів, топографічну карту, грунтову, рельєфу, геохімічного обстеження, деградованих земель, а також макет агроландшафтної та агроекологічних карт.

Для створення електронних карт землекористування та експлікації полів існує декілька основних способів, що розрізняються методами нанесення векторних об'єктів:

1) векторизація меж полів за космічним знімком високої роздільної здат-ності;

2) об'їзд (обхід) меж полів з використанням GPS устаткування і спеціального програмного забезпечення;

3) векторизація меж за існуючими паперовими картами планів вну-трішньогосподарського землеустрою.

В останньому випадку електронні карти характеризуються недостатньою точністю, оскільки під час прив'язування отриманих під час сканування растрів планів внутрішньогосподарського землеустрою невисокої точності в ArcGIS 9.3 виникають помилки через відмінності у системах координат. Тому карта землекористування господарства створювалася на основі векторизації меж полів, доріг, об'єктів гідрографії за космічним знімком високої роздільної здатності фірми Digital Globe з сайту Google (рис. 1, 2). Також для оцифровки меж полів сільськогосподарських підприємств можна використовувати знімки із знімальної системи Landsat 7 після підвищення їх точності шляхом приведен¬ня роздільної здатності багатоспектральних знімків невисокої роздільної здатності (до 28,5 м/піксель) до роздільної здатності панхроматичного каналу (14,25 м/піксель).

Електронна карта полів (рис. 2) дає інформацію про точну площу полів будь-якої конфігурації, може відображати протяжність доріг і їх якість, показує розташування об'єктів в просторі та дозволяє за необхідності здійснювати навігацію на будь-яку вказану точку за будь-якої заданої траєкторії.

Рис. 3.3.1. Приклад формування меж обстежуваних ділянок сільськогосподарських підприємств за космічним зображенням

Рис. 3.3.2. Землекористування та експлікація полів сільськогосподарських підприємств

Для створення електронної агроландшафтної карти використовувалися план внутрішньогосподарського землеустрою, грунтова карта масштабу 1:25000. Для створення грунтової карти проведено векторизацію і класифікацію грунтових контурів в ArcGIS 9.3 з нанесенням грунтових контурів та індексів грунтів (рис. 3). У якості растрової основи була використана грунтова карта масштабу 1:25000 господарства «Лан» Городенківського району, частково територію якого тепер займає ТзОВ «Авіатор».

Рис. 3.3.3. Фрагмент грунтової цифрової карти сільськогосподарських підприємств

Далі створюється електронна геоморфологічна карта на основі цифрування топографічної основи з отриманням тривимірної цифрової карти рельєфу або автоматично із застосуванням векторизаторів, що оцифровують відскановану з кальки сітку контурів. Топографічна векторна карта ТзОВ «Авіатор» Городенкіцвського району була отримана в процесі автоматичної векторизації ізоліній рельєфу топографічної карти у програмі Easy Trace.

На початковому етапі дослідження агро-ландшафтів сільськогосподарського підприємства і надалі для їх проектування створеним картографічним джерелом є карта розповсюдження грунтових ареалів. Грунтова карта стає основою для складання агроекологічної і агроландшафтної карти. За межами грунтових ареалів, а також їх гранулометричному складу.

Куту нахилу і сонячній експозиції виділяють агроекологічно однорідні ділянки. Метою виділення агроекологічно однорідних ділянок є підбір культур з урахуванням їх взаємодії (продукційної, фітомеліоративної, фітосанітарної) для виявлення умов життєзабезпечення рослин в межах поля і робочої ділянки, виключення негативного впливу просторової мінливості (мозаїчності) агроекологічних умов на продуктивні властивості земель і на технологію обробітку культур.

Основна інформація формується в процесі грунтово-ландшафтного картографування земель, що виконується за матеріалами аерофотознімання, топографічних карт і даних спеціальних польових і лабораторних досліджень. Результати досліджень представляються пошарово у вигляді електронних карт форм і елементів мезорельєфу, крутизни схилів, їх експозиції, мікрорельєфу, грунтоутворюючих порід, гідрогеологічних умов, ерозії грунтів, структур грунтового покриву тощо. Кожна електронна карта має базу даних, що містить, відповідно до тематики карти, інформацію по кожному контуру. Наприклад, база даних електронної карти мікроструктур грун¬тового покриву може містити таку наступну інформацію: номер контура; індекс грунтової комбінації; повна назва грунтової комбінації; співвідношення грунтів, ступінь складності і контрастності, положення в геохімічному ландшафті, геохімічні бар'єри, агроекологічні параметри грунтів.

...