Дипломная (вкр): Решение задач мониторинга и контроля параметров обрабатываемых угодий, учета и анализа информации о статусе поля и выполняемых на нем работах

Решение задач мониторинга и контроля параметров обрабатываемых угодий, учета и анализа информации о статусе поля и выполняемых на нем работах

Введение

Развитие технического прогресса, заставляет внедрять современные технологии во все сферы деятельности человека. Для помощи сельхозтоваропроизводителям в современном агропроизводстве в настоящее время широкое распространение получают различные «космические» технологиина базе спутниковой навигации.

Рациональное управление земельными ресурсами призвано повысить эффективность агротехнических операций, а тем самым и урожайность. Современное сельскохозяйственное производство представляет собой сложную многофакторную задачу,требующую серьезных затрат и умения.В большинстве случаев мониторинг рассматривается как набор действий, направленных на слежение за изменением объекта во времени с целью изучения специфики его динамичности и прогноза изменений.В качестве одного из основных источников информации, как правило, выступают данные дистанционного зондирования Земли. Необходимо отметить, что для мониторинга посевов в настоящий момент используютсяданные лишь низкого и среднего пространственного разрешения. Данныевысокого разрешения используются в основном для определения площадей посевов на тестовых или репрезентативных участках и мониторинг на их основе не охватывает территорию страны целиком.

Решение задач мониторинга и контроля параметров обрабатываемых угодий, учёта и анализа информации о статусе поля и выполняемых на нём работах, позволит оптимизировать выполняемые работы, повысить урожайность.

В результате всего выше сказанного в данной работе будет разработано программное обеспечение для спутникового мониторинга обрабатываемых сельскохозяйственных угодий.

1. Аналитический обзор поставленной задачи

1.1 Спутниковые системы мониторинга. Общие сведения

История развития спутниковой навигации (определения местонахождения объектов, его координат) зародилась в шестидесятые годы. Именно тогда во время противостояния США и СССР были разработаны первые образцы систем определения координат при помощи спутников, предназначенные исключительно для военных целей. На их основе в последствии и были созданы системы глобального позиционирования: в СССР - “ГЛОНАСС”, в США - “NAVSTAR-GPS” (GlobalPositioningSystem), более известная как просто GPS.

Первоначально данные системы использовались исключительно для нужд армии, однако со временем они получили и широкое гражданское применение - в настоящее время их коммерческое использование идет все активнее.

Учитывая то, что по понятным причинам, американская система получила более широкое международное распространение чем аналогичная российская, в дальнейшем в основном будет рассматриваться система GPS.

“NAVSTAR-GPS” - это спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа.

Первые спутники системы “NAVSTAR-GPS” были запущены в феврале 1978 года. Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Мощность радиопередатчика не более 50 ватт.

Спутниковая навигационная система “NAVSTAR-GPS” включают три элемента:

-       космический (навигационные ИСЗ);

-       наземный (комплекс управления спутниками);

-       оборудование пользователей (наземные спутниковые навигаторы).

Источником навигационной информации являются спутники.

Наземный комплекс управления служит для управления спутниками, синхронизации передаваемой информации со спутников и коррекции времени по эталонным часам.

Оборудование пользователей (наземные спутниковые навигаторы) - принимают информацию со спутников и осуществляют вычисление координат.

Важной частью любого такого навигатора является специальный радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно "прослушивающий" специальные радиосигналы, передаваемые каждым из спутников и содержащих данные о параметрах орбиты и точном времени.

Из всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными, так как вычисление расстояния от спутника до навигационного приемника основано на задержке прохождения сигнала от спутника до приемника. трекер, получая сигналы со спутников, определяет координаты человека, затем с помощью GPRS данные передаются на сервер. Установленная на ваш компьютер программа подключается к серверу через Интернет и получает оперативную информацию. Сервер посылает необходимый минимум сведений на персональный компьютер. Тем самым снижаются расходы на трафик и обеспечивается бесперебойная работа системы даже при нестабильном или медленном интернет-соединении. Схема передачи данных представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема движения данных

Спутниковый приемник с помощью специализированного процессора осуществляет обработку принятых сигналов, вычисляет расстояние между спутниками и приемником, результатом чего являются географические координаты (широта и долгота) вашего местонахождения (местонахождения приемника, установленного, например, в автомобиле).

Чем большее количество спутников «видит» GPS приемник, тем точнее он определяет свои координаты. В принципе, этого достаточно получить сигналы от двух спутников, однако на практике точность такого метода недостаточна и для вычислений обычно используются сигналы от трех спутников.

На сегодняшний день в системе GPS задействованы 24 спутника (с возможностью расширения до 30). Это количество достаточно для того, чтобы в любой точке земного шара получать сигналы как минимум от четырех из них, что позволяет определять трехмерные координаты - широту, долготу и высоту над уровнем моря.

Спутниковая GPS система находится под контролем Министерства обороны США, которое зарезервировало за собой предельную точность определения местоположения (в сигнал вводились специальные помехи для гражданских нужд). Точность гражданских GPS приемников составляла 70 - 160 метров, что примерно в 10 раз хуже, чем у военных. Однако в мае 2000 года правительство США отменило принудительную погрешность для гражданских GPS (оставив право ее введения в чрезвычайных ситуациях), практически уровняв тем самым точность гражданских и военных GPS приемников.

Дополнительное повышение точности GPS-систем возможно также за счет передачи специальных сигналов наземными эталонными станциями (система дифференциальной GPS), в результате чего точность определения координат повышается до 0,5 - 2 метров [1].

Данная технология применяется для тех людей, кому необходимо знать точно собственные координаты на местности либо координаты каких-либо объектов: мореплавателям, картографам, автоперевозчикам, топографам, строителям и пр.

Недавний пример: после терактов в Нью-Йорке на ближайших к разрушенным небоскребам зданиях были установлены специальные GPS-модули, которые наряду с другими средствами осуществляли контроль за изменением углов наклона зданий, расположенных в непосредственной близости от руин торгового центра для предотвращения возможных обвалов.

Помимо этого, спутниковый приемник GPS в любое время суток, в любых погодных условиях и в отсутствие каких бы то ни было ориентиров, безошибочно проведет через пустыню, не даст заблудиться в лесу, укажет направление к берегу. Если аналогичное устройство установить на автомобиль и дополнить электронной картой, то получится идеальный многофункциональный помощник.

Все спутниковые приемники можно условно разделить на два основных класса: профессиональные и бытовые.

Профессиональные навигационные приемники это довольно дорогостоящие изделия, ориентированные на решение специализированных задач и обеспечивающие чрезвычайно высокую точность и стабильность измеряемых координат. Применяются они в основном в картографии, геодезии, геологии, серьезных изыскательских работах.

Бытовые навигационные приёмники ориентированы на решение повседневных задач широкого круга лиц. Для определения своего местонахождения ими могут пользоваться практически все - от грибников и рыболовов до автомобильных компаний, использующих GPS для систем управления транспорта.

Решение задач автомобильной навигации возможно не только с помощью применения специальных автомобильных навигаторов, но и более распространенных и доступных устройств:

-       переносной персональный компьютер (LapTop) + GPS приемник (или GPS мышь);

-       карманный персональный компьютер + GPS приемник (или GPS мышь);

-       портативный GPS приемник;

-       полустационарный автомобильный GPS приемник;

-       специализированные автомобильные навигационные системы (комплексы).

Существуют следующие основные потребительские характеристики и свойства навигационных приемников:

Количество каналов. На сегодняшний день только очень дешевые модели имеют менее 8 каналов. Более предпочтительными считаются 12 канальные - главными достоинствами которых является способность определять координаты в условиях плохой радиовидимости спутника и быстрота определения этих координат.

Дисплей - позволяет отображать полезную информацию в том числе и видеть свое месторасположение на электронной карте. Дисплеи для отображения используются черно-белые или цветные.

Хранение контрольных точек и маршрутов - возможность сохранения в памяти прибора определенных точек с их привязкой к координатам и отображением на электронной карте. Маршрут - запись и хранение совокупности точек в виде линий пройденного пути.

Дополнительные возможности и функции:

-       компас, точное время, высота над уровнем моря, скорость, направление движения, количество видимых спутников;

-       предварительный ввод маршрута и автоматический контроль за его выполнением.

Выход на исходную точку - запоминание определенной точки (в том числе и точки начала движения) с последующим указанием направления движения для выхода на эту точку.

Приближение к заранее заданной контрольной точке, отклонение от заранее введенного маршрута, удаление от контрольной точки на большее расстояние чем задано. Ввод и корректировка электронных карт.

Картографическое обеспечение является одной из главных составных частей автомобильных навигационных систем.

Во всем мире выпускается большое количество электронных карт для разного целевого использования и разного “железа” - для карманных навигаторов, карманных компьютеров, портативных компьютеров, стационарных автомобильных навигационных систем. Очень часто электронные карты совмещаются со специальным навигационным программным обеспечением.

Форматы представления электронных карт бывают двух основных типов:растровые и векторные.

Растровый формат наиболее простой. Он позволяет самостоятельно изготавливать карты путем их сканирования и привязки, обладает хорошими возможностями по детализации объектов. Основной минус карт, полученных таким образом - большой объем, избыточность информации, невозможность применения для планирования маршрутов движения. Такие карты чаще всего используются для персональных компьютеров.

Векторные карты обладают высокими возможностями масштабирования без потерь качества, занимают небольшой объем, имеют несколько рабочих слоев. Как правило, позволяют осуществлять автоматическое планирование маршрутов. Изготовление таких карт довольно трудоемкий процесс. Применение таких карт требует специального навигационного программного обеспечения и как правило карты не совместимы с программами и картами другого производителя

Отдельно можно выделить векторные карты с растровым изображением, но по своей сути это продукт является полностью векторной картой, на которую просто наложено растровое изображение местности.

Для работы с растровыми картами и навигационной информации при использовании персональных компьютеров как переносных, так и карманных требуется специальное программное обеспечение. В настоящее время такое программное обеспечение выпускается многими производителями.

Для работы с векторными картами существует тоже большая номенклатура программного обеспечения, но здесь возникает полная несовместимость между картами и программным продуктом разных производителей [2].

1.2 Системы мониторинга сельского хозяйства

Термин «мониторинг» заимствован из англоязычной литературы, где он означает «слежение за изменением чего-либо во времени». В большинстве случаев мониторинг рассматривается как набор действий, направленных на слежение за изменением объекта во времени с целью изучения специфики его динамичности и прогноза изменений. То есть прогноз не входит в понятие мониторинга, а является лишь его целью (основной, но не единственной).

Таким образом, под мониторингом сельскохозяйственных угодий необходимо понимать слежение за их изменением.

Как известно, термин "земля" является очень многогранным понятием. Под ним подразумевается многое, начиная от планеты в целом и заканчивая комком почвы. В нашем случае более правильно говорить о термине "земли", от которого произведены понятия "земельные угодья", "земельные ресурсы", "землепользование".

Из всех приведенных выше определений следует, что свойства земель предопределяются свойствами их отдельных компонентов: климата, рельефа, почв, геологического строения, растительности и особенностями их использования. Спецификой сельскохозяйственных земель является то.что естественная растительность в большинстве случаев заменена на культурную. Таким образом, мониторинг земель подразумевает слежение за их отдельными компонентами. Говоря о мониторинге сельскохозяйственных земель необходимо учитывать, что для мониторинга климата, рельефа и геологического строения территории существуют специальные отраслевые мониторинговые системы. Поэтому непосредственно к мониторингу сельскохозяйственных земель логично отнести лишь мониторинг почв и мониторинг сельскохозяйственной растительности.

Программы (системы) мониторинга сельскохозяйственных земель на национальном и наднациональном уровнях существуют во многих странах Мира. Поиск в интернете позволяет обнаружить информацию о более чем 30 национальных и наднациональных программах мониторинга почв, а также о более чем 20 системах мониторинга растительности сельскохозяйственных земель. При этом не учитывались работы по ежегодному мониторингу агрохимического состояния почв, который осуществляется практически всеми владельцами сельскохозяйственных

земель в развитых и во многих развивающихся странах.

Большинство программ мониторинга почв осуществляется под руководством государственных органов (министерств сельского хозяйства, охраны окружающей среды или лесопользования) или же научных учреждений при финансировании государством. Однако встречаются отдельные случаи организации мониторинга почв и негосударственными организациями.