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

В большинстве случаев целью мониторинга почв является решение природоохранных задач и предотвращение загрязнения продукции сельскохозяйственного производства.

Преобладающее количество систем мониторинга почв начало функционировать в начале 90-х годов прошлого века, хотя есть отдельные системы, которые функционируют и более длительное время.

Мониторинг почв осуществляется путем отбора и анализа почвенных образцов на репрезентативных тестовых площадках. Количество тестовых площадок разное в разных странах и варьирует от нескольких десятков до нескольких тысяч. При этом анализ производится один раз в год, а в большинстве случаев - раз в 5-10 лет. Интересно отметить, что в большинстве систем образцы отбираются послойно, без учета строения профиля почв, а иногда только из пахотного горизонта почв. Анализируются, как правило, химические, физические, биологические, биохимические свойства почв, содержание микро и макроэлементов и основных загрязнителей. В некоторых системах попутно анализируется химический состав произрастающих на почве сельскохозяйственных растений.

Отдельно следует выделять мониторинг агрохимического состояния почв, который осуществляется во многих странах ежегодно. Целью этого мониторинга является поддержание на необходимом уровне содержания питательных элементов в почвах сельскохозяйственных земель. Основным методом является лабораторный анализ образцов пахотного (иногда и подпахотного) горизонта почв. В большинстве случаев данный мониторинг осуществляется частными фирмами на уровне отдельных ферм, и его результаты никак не обобщаются на национальном уровне.

Мониторинг сельскохозяйственной растительности на национальном и / или наднациональном уровнях осуществляется с целью оценки, контроля и прогнозирования производства продукции растениеводства.

Наиболее развитыми системами, функционирующими на наднациональном уровне являются следующие:

-       системы USDA и USAIDFEWSNETв США;

-       ФАО(GIEWS);

-       европейской комиссии MARS;

-       китайская система с/х мониторинга CCWS.

Перечисленные системы осуществляют сельскохозяйственный мониторинг многих стран мира. Из национальных систем наиболее развитыми являются системы мониторинга (KARS (США), GEOSYS (Франция), AGRECON (Австралия), B-CGMS (Бельгия), системы мониторинга Казахстана и Индии.

В качестве создателей и операторов систем выступают как государственные и надгосударственные органы, так и частные компании.

Большинство из перечисленных систем начали функционировать в оперативном режиме в последние 10-20 лет [3].

Объектом мониторинга является состояние посевов сельскохозяйственных культур, их плошали и степень повреждения неблагоприятными факторами. Необходимо отметить, что в некоторых системах мониторинга сельскохозяйственной растительности как объект мониторинга выступает также и влажность почв.

В качестве одного из основных источников информации, как правило, выступают данные дистанционного зондирования Земли. Необходимо отметить, что для мониторинга посевов в настоящий момент используются данные лишь низкого и среднего пространственного разрешения. Данные высокого разрешения используются в основном для определения площадей посевов на тестовых или репрезентативных участках и мониторинг на их основе не охватывает территорию страны целиком. Основной причиной этого является как экономический фактор, так и оперативность мониторинга. В отличие от мониторинга почв, анализ состояния растительности в подобных системах осуществляется еженедельно или ежедекадно, а в отдельных случаях и ежедневно.

Как показывает проведенный анализ, в мире на национальном или наднациональном уровнях на данный момент отсутствует система мониторинга сельскохозяйственных земель, которая включала бы в себя одновременно мониторинг почв и мониторинг посевов сельскохозяйственных культур. Разделение мониторинга почв и мониторинга посевов на отдельные системы обусловлено как спецификой объекта мониторинга, так и различным целевым назначением мониторинговых систем, которое выражается в особенностях их строения и функционирования. Так, мониторинг почв (не агрохимический) в большинстве стран мира ведется для экологических целей, в то время как мониторинг сельскохозяйственной растительности и агрохимического состояния почв ведется для целей сельскохозяйственного производства.

Учитывая то, что почвенный покров является основой для возделывания сельскохозяйственных культур, который во многом предопределяет потенциальный уровень их урожайности и ее пространственную вариабельность, система мониторинга сельскохозяйственных земель страны могла бы объединить в себе все три типа мониторинга: почвенный (с уточнением информации раз в несколько лет), агрохимический (с ежегодным уточнением информации) и мониторинг сельскохозяйственной растительности (с ежедневным или еженедельным уточнением информации). В этом случае система была бы наиболее эффективной, так как позволяла бы осуществлять мониторинг всех свойств земель, предопределяющих результативность сельскохозяйственного производства.

1.3 Геоинформационные Web-сервисы

Сложно подобрать определение, с достаточной точностью описывающее все те бурные процессы, которые происходят в сети Интернет с пространственными данными. Информация стремится быть найденной - это закон, в соответствии с которым online-карты с их средствами визуализации и анализа информации стали мощным стимулом к пространственной ориентации данных в информационных системах.

Модель глобального геопоиска, в которой поисковый запрос может быть построен по принципу «узнать, что здесь находится», получила общее наименование «GeoWeb», как явление еще не нашедшее отражения в русско-язычной части Википедии всемирной свободной энциклопедии.

Потенциал этой модели огромен, он оказывает влияние и на разработчиков программного обеспечения ГИС, предлагающих средства для публикации карт в глобальном информационном пространстве и создания комплексных (гибридных) сервисных приложений (mashups) с ГИС-составляющей, и на пользователей с приемниками спутникового позиционирования и фотокамерами, решившихся описать новыми средствами меняющийся окружающий мир. В том же сообществе Википедии с появлением большого числа источников online-карт был открыт проект «Географические координаты», цель которого дать координатную привязку всем статьям о географических объектах. При переходе по ссылке координаты объекта проставляются во все шаблонные ссылки на ресурсы с online-картами, представленными в глобальной системе координат.

С распространением UGC-сервисов (сервисы с контентом, создаваемым пользователями), актуальность и скорость сбора информации в которых является неоспоримым преимуществом и поводом для их использования в профессиональных источниках данных, встал вопрос модерирования информации и лицензирования прав.

Например, в случае с упомянутыми «Географическими координатами» встречным процессом должна была бы стать разметка ссылок на Вики-статьи с описанием объектов на глобальных картах. Такие проекты действительно появились, например, Wikimapia, с использованием GoogleMaps API технологии встраивания сервисов GoogleMaps в сторонние сайты и приложения. Однако часть участников Википедии не поддержала идею размещения прямых ссылок на карты Google по причине неоднозначности лицензионных прав на UGC, созданный на основе «несвободной» информации от операторов спутниковых данных поставщиков Google. С другой стороны, пользовательские возможности это никак не ограничивает сами статьи доступны в динамическом KML (KeyholeMarkupLanguage). Недавно и MicrosoftVirtualEarth/LiveMaps добавили соответствующие статьи в свою коллекционно-поисковую базу.

Рисунок 1.2 - Карта Гомеля на maps.google.com

Сервис GoogleMaps (рисунок 1.2) обеспечивает возможность просмотра карт прямо в браузерах IE (версия 6.0 и выше), Firefox (2.0 и выше) и Safari (3.1 и выше). Любая точка мира отображается на GoogleMaps с точностью до 1:25 000 на основе данных, сделанных со спутника Landsat-7. Крупные города и многие территории отображаются вплоть до масштаба 1:2000, благодаря подключению снимков компании DigitalGlobe, полученных со спутника Quickbird-2 (сервисы Google).

При просмотре можно самостоятельно выбирать, какую область, в каком масштабе и в каком режиме просматривать. Всего предусмотрено три режима просмотра: "Карта", "Спутник" и "Ландшафт". В режиме "Карта" показывается топографическая карта местности с отображением дорог, улиц и домов, в режиме "Спутник" - "сшитые" снимки местности со спутника (с возможностью их панорамирования и масштабирования), а в режиме "Ландшафт" - ландшафт местности с нанесенными названиями населенных пунктов и дорог.

Также, реализован поиск по адресу. По возможности, лучше вводить адреса в предусмотренных форматах ("улица, дом, город, область" либо "улица, дом, город, почтовый индекс"), однако нередко поиск корректно срабатывает и при меньшем наборе исходных данных.

В зависимости от местоположения пользователя, сервис Google Maps позволяет искать самые разнообразные объекты и получать о них некоторую информацию. Разрешается искать предприятия или компании, например, можно найти все пабы в Екатеринбурге, введя в строку поиска фразу вида "паб в Екатеринбурге", либо все гостиницы в Саратове ("гостиницы Саратов"). Результаты поиска можно отправить в навигационную систему автомобиля или по электронной почте.

Бесплатно предоставляя разработчикам развернутые средства для встраивания карт в web-сайты, по условию также являющиеся публичными и бесплатными, Google оставил за собой право добавления рекламного содержания. Механизмы монетизации, например, платные web-сервисы, судя по всему, играют пока гораздо менее значимую роль на этом интернет-рынке. Однако стратегические действия крупных web-картографических проектов, таких как Google и Microsoft, направлены за пределы рекламного бизнеса. Предоставляя платное API для корпоративных систем интранет и платных web-приложений с целью использования собственного функционала и данных своих поставщиков: карт местности, навигационных карт и спутниковых снимков, интернет-порталы стали конкурировать с разработчиками навигационного программного обеспечения и ПО ГИС. Конкуренция идет также на рынке разработки платформ и интеграции сервисов в сторонние мобильные и «настольные» приложения. Иллюстрацией интеграции картографических web-сервисов и приложений является, например, пара GoogleMaps/GoogleEarth. Картографическй web-сервис постепенно перенимает функциональные возможности любительской ГИС, и граница между ними размывается.

Но в начале истории этих гибридов web и ГИС находится базовая модель популярного web-сайта с интерактивной online-картой.

Путь, которым профессиональные разработчики ПО ГИС ведут геоинформационные системы в web, это путь искусственной популяризации, путь технологической адаптации ГИС корпоративных систем предприятий к массовым web-сервисам со стандартизированными web-интерфейсами, внешний вид которых говорит о насильственной ассимиляции, а попытки выполнить возложенные на них операции с привычным функционалом приводят к перезагрузкам браузера. На «серверной стороне» такой системы, основанной на фундаменте технологических решений ГИС, все хорошо обеспечено и системно интегрировано, а главное хорошо разрекламировано. Но и здесь в связи с бурным развитием web-картографии начинаются перемены, возникает конкуренция со стороны бесплатного ПО. Оказывается, например, что бесплатное ПО с открытым кодом позволяет добиваться более эффектного рендеринга (визуализации) карт, чем многофункциональные и дорогие программы редактирования.

Как видно из всего вышесказанного, картографических сервисов в сети сегодня вполне достаточно, и можно выбрать инструмент «на любой вкус и цвет». Многие из них не только позволят найти интересующую точку на карте, но и проложить маршрут из одной точки в другую. Картографический сервис, приятный «как снаружи, так и внутри», с оригинальной концепцией одной общей карты. Возможность менять цветовые схемы оформления карт наверняка придется по вкусу большинству пользователей, а привлечение всех желающих к редактированию карт позволит в достаточно сжатые сроки составить довольно точное покрытие в масштабах не только Украины, но и всего мира. Пользуясь данными сервисами, можно отправляться в автотур по Центральной и Западной Европе - для этих областей Земли имеется достаточно детальное покрытие. Возможность поиска на разных языках, включая украинский и русский, а также поиск по организациям, делает службу практически идеальным картографическим сервисом [4].

1.4 Выводы. Основные функции систем мониторинга

Программное обеспечение для спутникового мониторинга обычно имеет ряд интерфейсов. Вход пользователей в систему мониторинга чаще всего защищён паролем для предотвращения несанкционированного доступа к информации. В системах существует определённая иерархическая структура, при которой администратор системы мониторинга управляет правами доступа различных пользователей к различным объектам мониторинга и различным функциям программы.

Самые распространённые функции, которые присутствуют в большинстве систем спутникового мониторинга:

-       мониторинг текущего положения транспорта на карте;

-       мониторинг состояния приборов и датчиков транспортного средства;

-       создание точек интереса и геозон на карте;

-       контроль перемещения из/в геозоны;

-       построение графиков на основании данных системы;

-       изменение иконок, отображающих объекты на карте [5].

В связи с современным большим использованием, почва становится менее плодородной, тем самым мониторинг угодий позволит эффективнее использовать ресурсы, способные повысить качество земель.

Разрабатываемое программное обеспечение предназначено для пространственного анализа обрабатываемых сельскохозяйственных угодий, являющиеся основой принятия оперативных управленческих решений, обеспечивает визуализацию данных в виде разнообразных карт различных показателей почвы, урожайности, составление аппликационных карт для внесения минеральных и органических удобрений и подкормок.

2. Технология решения задачи мониторинга

2.1 Постановка задачи

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» технологии на 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. 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.

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.

Анализируются, как правило, химические, физические, биологические, биохимические свойства почв, содержание микро и макроэлементов и основных загрязнителей. В некоторых системах попутно анализируется химический состав произрастающих на почве сельскохозяйственных растений.

Отдельно следует выделять мониторинг агрохимического состояния почв, который осуществляется во многих странах ежегодно. Целью этого мониторинга является поддержание на необходимом уровне содержания питательных элементов в почвах сельскохозяйственных земель.

На основе данной схемы предстоит разработать программное обеспечение автоматизированной системы мониторинга сельскохозяйственных угодий.