UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.06.01 Сельское хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
. A modern approach to the creation of an expert geographic information web system is presented, containing data from complex environmental monitoring, actual technical and operational parameters of watering and irrigation systems, information on types of irrigation, irrigation methods, doses of fertilizers applied, values of actual and potential yields, results of thematic long-term research, field and laboratory experiments. The web system is created on the basis of freely distributed open source software and allows decision makers to jointly solve environmental, technical and operational problems of ensuring the sustainable development of irrigated agriculture in the Republic of Kalmykia via the Internet.
database, decision support system, geographic information technologies, network technologies, environmental monitoring, reclamation and water management complex, increasing the efficiency of agricultural production.
При реализации Государственных программ в системе обеспечения социально-экономического развития Российской Федерации, решении вопросов национальной и продовольственной безопасности страны все более актуальной становится проблема совершенствования использования и управления водными и земельными ресурсами [1,2]. Необходимо развитие экспертных систем и информационных технологий управления процессами функционирования мелиоративно-водохозяйственного комплекса. Информационные технологии позволяют учесть разноплановые факторы и синтезировать процессы принятия решений в интегральный целенаправленный процесс управления использованием водных ресурсов, гидротехническими сооружениями, мелиоративным состоянием земель и производством сельскохозяйственной продукции в каждом хозяйстве на каждом конкретном поле [2,3,4].
Разработанная геоинформационная веб-система поддержки принятия решений по интегральному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом предназначена для совместного решения экологических, технических и эксплуатационных задач обеспечения устойчивого развития орошаемого земледелия Республики Калмыкия. Работа выполнена на примере Сарпинской обводнительно-оросительной системы (СООС), для которой характерны сложные ирригационно-хозяйственные условия [5,6]. Развитие процессов сокращения увлажненности южных территорий Европейской части, в значительной степени и в Республике Калмыкия, определяет сложность ведения сельского хозяйства, а аномальные погодные явления - рост климатических рисков [7,8,9]. С другой стороны, многолетние научно-производственные исследования, выполняемые на территории СООС учеными ВНИИГиМ и Калмыцкого филиала, проводимый комплексный экологический мониторинг состояния водных ресурсов, мелиорированных земель, мелиоративных систем, позволили накопить значительный объем необходимой информации, что в сочетании с полученными результатами исследований по адаптации геоинформационных технологий применительно к решению водохозяйственных и мелиоративных задач открывает новые перспективы в управлении мелиоративными и водохозяйственными системами [10-12]. Поэтому именно в этом случае применение геоинформационных и веб-технологий при управлении процессами функционирования мелиоративно-водохозяйственного комплекса становится возможным и весьма перспективным.
Разработанная веб-система направлена на предоставление возможности лицам, принимающим решения (фермерам, главным агрономам, инженерам эксплуатационной службы и другим специалистам хозяйств), оперативно принимать взвешенные, научно обоснованные решения на длительную перспективу, а также тактического и оперативного характера с целью обеспечения оптимальных условий для возделывания сельскохозяйственных культур, повышения продуктивности орошаемых земель и эффективности сельскохозяйственного производства, при рациональном использовании интегральных ресурсов.
Веб-система позволяет накапливать, структурировать, подготавливать и анализировать информацию о природно-климатических, гидрогеологических, почвенных и ирригационно-хозяйственных условиях, о мелиоративном состоянии орошаемых земель, наличии и качестве воды для орошения, техническом состоянии ГТС гидромелиоративных систем и других факторах, в комплексе определяющих особенности ведения сельскохозяйственного производства и способы повышения урожайности сельскохозяйственных культур в Республике Калмыкия. В программу включены фактические технико-эксплуатационные параметры обводнительно-оросительных систем, данные комплексного экологического мониторинга, сведения о видах орошения, способах полива, дозах вносимых удобрений, о величинах фактической и потенциальной урожайности, результаты проведенных тематических многолетних исследований, полевых и лабораторных экспериментах. Включены также рекомендации по приемам выращивания различных сельскохозяйственных культур на мелиорированных землях и экспертная оценка эколого-экономической эффективности сельскохозяйственного производства.
Разработанная веб-система основана на клиент-серверной технологии и позволяет подключаться ответственному пользователю с персонального компьютера или мобильного устройства через сеть Интернет. Количество одновременно работающих в веб-системе пользователей может превышать десятки и даже сотни человек. При необходимости может быть настроено шифрование передаваемых данных.
Информационное обеспечение веб-системы включает веб-сервер Apache, систему управления базами данных MySQL, геоинформационную систему QGIS с плагином qgis2web, инструментарий Phpmyedit для создания веб-форм с поддержкой SQL, облачное хранилище данных Nextcloud. Все используемые компоненты являются свободно распространяемым программным обеспечением с открытым исходным кодом, что позволяет существенно сократить затраты, повысить уровень безопасности и значительно расширить круг заинтересованных пользователей. Кроме того, в веб-систему входят разработанные автором следующие веб-приложения (созданы на высокоуровневом языке программирования Python с использованием библиотек Pandas, Plotly, Folium и веб-фреймворка Dash):
- Treemap – для построения иерархической древовидной карты землепользователей Республики Калмыкия
- Scatter – для построения графиков зависимости урожайности от различных факторов с временной шкалой (по годам) для землепользователей
- Yield – построение графиков урожайности сельскохозяйственных культур и оросительной нормы для конкретного землепользователя
- App – построение графиков урожайности сельскохозяйственных культур и дельты оросительной нормы (разница между плановой и фактической) с возможностью одновременного выбора нескольких землепользователей для сравнительной оценки
- Snowflake – построение полярных диаграмм с целью экспресс-анализа хозяйства
- Webmap – создание интерактивных веб-карт.
При разработке экспертной веб-систем особое внимание уделено аспектам организации информационного взаимодействия между веб-приложением, базами данных, базами знаний, веб-ГИС-проектами и средой Интернет, а также обеспечению безопасности сетевых сервисов (сетевой уровень) и непосредственно защите данных (локальный уровень). В разрабатываемой системе совместимость обеспечивается путем использования встроенных в свободно распространяемые программные продукты механизмов, обеспечивающих взаимодействие в неоднородных средах, и гипертекстовых ссылок.
В веб-системе реализованы такие функции, как полнотекстовый поиск, фильтрация данных и ранжирование результатов (сортировка по алфавиту, по возрастанию и убыванию). Предусмотрена мультиязычная поддержка на базе кодировки UTF8, что позволяет при необходимости использовать в тексте не только латинские и кириллические символы, но и символы из расширенной латиницы (умлауты, лигатуры и т.д.) При необходимости веб-система позволяет расширить количество пунктов меню, усовершенствовать критерии поиска, детализировать информацию об объектах исследований, типах почв, видах орошения, используемых мелиорантах, выращиваемой сельскохозяйственной продукции и т.д.
В своей работе веб-система использует базы данных Access (созданы сотрудниками Калмыцкого филиала ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова»), базу данных SQL и отдельные наборы GeoJSON и CSV-файлов, где непосредственно хранятся данные:
- база данных землепользователей Республики Калмыкия;
- база данных водных объектов, содержащих сведения об объемах поверхностных и подземных водных ресурсов, их минерализации, химическом составе и динамике показателей во времени;
- база данных о состоянии мелиорированных земель в разрезе гидромелиоративных систем и отдельных хозяйств, включая характеристику почвенного покрова, показатели их мелиоративного состояния (степень и характер засоления, режим грунтовых вод), а также плодородия почв, особенностей выращивания сельхозкультур;
- база данных по характеристике технического состояния и эффективности работы гидротехнических сооружений гидромелиоративных систем.
В перспективе планируется создать и зарегистрировать единую базу данных SQL. Облачное хранилище данных предоставляет возможность ответственным сотрудникам удаленно загружать в веб-систему фото- и видеоматериалы, данные оперативного мониторинга, результаты экспресс-анализов, а также данные дистанционного зондирования.
Для начала работы в веб-системе необходимо открыть веб-браузер (Google Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge) и в адресной строке ввести адрес: http://www.mydomain.ru/soos/. В появившемся окне указать имя пользователя и пароль. Предусмотрена возможность тонкой настройки индивидуальных прав доступа для каждого пользователя.
Главное меню веб-системы состоит из 13 пунктов, названия которых полностью соответствуют назначению: «Год», «Образование» (сельское муниципальное образование), «Кадастровый номер», «Землепользователь», «Площадь», «Почвы», «Вид орошения», «Способ полива», «С/х продукция», «Урожайность», «Мелиоративное состояние», «Экономическая эффективность», «Интегральная оценка». После установки требуемых критериев поиска в различных пунктах меню и нажатия кнопки «Запрос» система извлекает записи из базы данных SQL, соответствующие искомым критериям. В главном меню есть возможность добавлять, просматривать, изменять, копировать и удалять записи. Копирование записей удобно при вводе в систему большого количества однотипных записей, отличающихся несколькими значениями.
В карточке землепользователя при нажатии на ссылку «Год» в новом окне открывается интерактивная древовидная карта землепользователей Республики Калмыкия: размер прямоугольника зависит от площади хозяйства, цвет прямоугольника – от урожайности (красный цвет – низкая урожайность, зеленый – высокая). Веб-система рассчитывает средневзвешенную урожайность по районам и сельским муниципальным образованиям Республики Калмыкия (рис. 1).
В карточке землепользователя при нажатии на ссылку «ГИС-проект» в новом окне открывается интерактивная ГИС-карта (в качестве «подложки» использован веб-картографический проект OpenStreetMap) (рис. 2).
Рис. 2 – ГИС-проект, интегрированный в веб-систему
Веб-система позволяет строить сравнительные графики урожайности и оросительной нормы по годам для разных землепользователей Республики Калмыкия.
Для каждого интегрированного в веб-систему ГИС-проекта хозяйства разработана своя «мини база знаний», включающая агрохимические показатели почвы, гранулометрический состав, химический состав водной вытяжки почвы, значение pH и содержание гумуса, корреляционные зависимости между различными почвенными показателями, показатели качества воды, данные дистанционного зондирования земли, индексы растительности NDVI и т.д.
В 2023 году авторским коллективом в составе А.В. Матвеев, Э.Б. Дедова, С.Д. Исаева, Р.М. Шабанов получено свидетельство о Государственной регистрации программы для ЭВМ «Геоинформационная веб-система поддержки принятия решения по интегрированному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом Республики Калмыкия» (№ 2023663383 от 22 июня 2023 г.)
Геоинформационная веб-система имеет блочно-модульную архитектуру, является гибкой в настройке, расширяемой и масштабируемой, что позволит в будущем улучшить функциональные возможности, подключить системы имитационного моделирования, пакеты статистической обработки данных и модели искусственного интеллекта, а также, при необходимости, адаптировать ее для разных иерархических уровней управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом - от мелиоративной системы до субъектов Российской Федерации.
Таким образом, программа может быть использована в качестве системы поддержки принятия решений в агрохолдингах, фермерских хозяйствах и других сельскохозяйственных организациях различных форм собственности, в ФГБУ «Калммелиоводхоз» и других региональных органах управления, в том числе, агропромышленным комплексом, а также в водохозяйственных и проектных организациях.
1. Shevchenko V.A. Isaeva S.D., Dedova E.B. A new stage in the development of the reclamation and water management complex of the Russian Federation // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2023. Vol. 93. No. 4. P. 355-361
2. Shevchenko V.A., Isaeva S.D., Dedova E.B. Model of decision-making in innovative projects for the development of agricultural water use // International Agricultural Journal. 2022. Volume 65. No. 2 (386). pp. 124-128.
3. New ways to increase the productivity of degraded reclaimed lands using information technology. Ilyinsky A.V., Kolomiytsev N.V., Matveev A.V., Evsenkin K.N., Korzhenevsky B.I. - M.: VNIIGiM, 2022. 152 p.
4. Isaeva S.D., Dedova E.B., Buber A.A. 2021 Use of Water Resources for Irrigation in the Southern Regions of Russia IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 666 b 042020. IOP Publishing. DOIhttps://doi.org/10.1088/1755-1315/666/4/042020.
5. Konieva G.N., Dedova E.B. Problems of water supply during the development of feed production in the Republic of Kalmykia // Materials of the international scientific and practical conference “The role of land reclamation in ensuring food security”, April 14-15, 2022 - M.: VNIIGiM, 2022. - P. 207-213.
6. Shirokova V.A., Dedov A.A., Shabanov R.A., Dedova E.B. Agroecological monitoring of the state of the Sarpinsk watering and irrigation system. In the collection: Digitalization of land use and cadastres: trends and prospects. Proceedings of the international scientific and practical conference September 25, 2020. 2020. pp. 496-500.
7. Isaeva S.D., Dedova E.B., Buber A.L., Bondarik I.G. Zoning of the territory of the zone of insufficient moisture in the European part of the Russian Federation in terms of provision of irrigation and agricultural water supply with water resources using geoinformation technologies. In the collection: Scientific and technical achievements and developments of the FGBNU "VNIIGiM named after A.N. Kostyakov" (2016-2021). Collection of scientific papers. Moscow, 2021. pp. 69-71.
8. Dedova E.B., Shabanov R.M., Dedov A.A. Zonal scale for assessing the quality of irrigation water for the conditions of the North-Western Caspian region. Database registration certificate 2021620676, 04/09/2021. Application No. 2021620532 dated 03/31/2021.
9. Konieva G.N., Dedova E.B. Problems of water supply during the development of feed production in the Republic of Kalmykia // Irrigated agriculture. 2022. No. 3. P. 17-20.
10. Kolomiytsev N.V., Matveev A.V. Creation of a web-based information and reference system to justify the choice of technologies for restoring soil fertility and reclamation of degraded agricultural landscapes. In the collection: The role of land reclamation in ensuring food security. Moscow, 2022. pp. 345-352.
11. Ilyinsky A.V., Matveev A.V., Evsenkin K.N. Information and reference Web-system for making management decisions to increase the productivity of soils of reclaimed agricultural lands // Melioration and water management. 2021. No. 5. P. 15-18.
12. Matveev A.V., Dedova E.B., Isaeva S.D., Shabanov R.M. Geoinformation web-based decision support system for integrated management of the reclamation and water management complex of the Republic of Kalmykia. Certificate of state registration of a computer program 2023663383, 06/22/2023. Application No. 2023662056 dated 06/07/2023.
