Введение. В настоящее время создание информационных технологий и экспертных систем управления процессами функционирования мелиоративно-водохозяйственного комплекса и производства сельскохозяйственной продукции является важным направлением научно-технического прогресса [1,2,3]. Продуктивность орошаемых земель во многом определяется тремя основными компонентами производства сельскохозяйственной продукции, а именно: техническим состоянием гидромелиоративных систем (ГМС), водными ресурсами, эколого-мелиоративным состоянием и плодородием почв. Обеспечение высокой продуктивности земель возможно на основе комплексного, или интегрального, управления состоянием указанных компонентов. При этом экспертная геоинформационная веб-система должна быть направлена на интегральное управление мелиоративно-водохозяйственным комплексом, позволяя его реализовать как синхронный процесс контроля и комплексного (системного) управления техническим состоянием гидротехнических сооружений (ГТС), экологическим состоянием мелиорированных земель и состоянием водных объектов (водоисточников и водоприемников). Такой научно-методический подход позволяет обеспечить рациональное использование водных и земельных ресурсов, эффективное ведение сельского хозяйства [1,4].
Цель создания геоинформационной веб-системы поддержки принятия решений – сбор, хранение, пополнение, анализ и предоставление необходимой для управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом (МВК) информации, сужение области поиска рационального решения на основании предоставляемых результатов системных исследований, повышение обоснованности принимаемых решений [2,3].
Методология исследований. Разработка геоинформационной веб-системы поддержки принятия решений по интегральному управлению региональным мелиоративно-водохозяйственным комплексом основано на принципах, которые включают:
- предоставление возможности коллективного пользования в режиме 24/7 для всех заинтересованных участников;
- в основу веб-системы должна быть заложена клиент-серверная технология и блочно-модульная архитектура, позволяющая расширять функциональные возможности, обеспечивать бесшовную интеграцию со сторонними программными продуктами и онлайн-сервисами, повышенную производительность и улучшенную масштабируемость;
- система может быть централизованной, децентрализованной относительно хранения информации, а также интегрированной для доступа к информационным хранилищам (реляционная база данных, Wiki-портал с базой знаний, облачное хранилище данных);
- необходим интуитивно понятный пользовательский веб-интерфейс, развитый поисковый механизм с возможностью ранжирования результатов;
- централизованный сбор и обработку информации мониторинга с помощью автоматизированных метео-, агрохимических станций, гидропостов, дистанционных устройств с применением современных коммуникационных средств;
- система должна обеспечивать соблюдение правовых основ на владение, распоряжение и пользование информацией.
Объект исследований. Работы по созданию веб-ГИС-системы выполнены на примере Сарпинской обводнительно-оросительной системы (СООС), расположенной в Республике Калмыкия (рис.1). В Республике, как и всей территории зоны недостаточного увлажнения на юге Европейской части страны [5,6], происходит усиление засушливости климата, проявления аномальных погодных явлений, развитие дефицита водных ресурсов, что определяет рост климатических рисков и сложность ведения сельского хозяйства [1,3, 5–7].
Рисунок 1. Картосхема Сарпинской обводнительно-оросительной системы
В основу разработок положены многолетние научно-производственные исследования, выполняемые на территории СООС учеными ВНИИГиМ и Калмыцкого филиала. Проводимый на протяжении ряда лет комплексный экологический мониторинг состояния водных ресурсов, мелиорированных земель, мелиоративных систем, позволили накопить значительный объём необходимой информации, что в сочетании с полученными результатами исследований по адаптации геоинформационных технологий применительно к решению водохозяйственных и мелиоративных задач открывает новые перспективы для их применения в управлении мелиоративными и водохозяйственными системами локального и регионального уровня.
В программу обоснования принятия решений включены фактические технико-эксплуатационные параметры Сарпинской обводнительно-оросительной системы, данные комплексного экологического мониторинга в ее пределах, сведения о видах орошения, способах полива, дозах вносимых удобрений землепользователями в разрезе поля, участка, о величинах фактической и потенциальной урожайности, результаты проведенных тематических многолетних исследований, полевых и лабораторных экспериментов. Включены также рекомендации по приемам выращивания различных сельскохозяйственных культур на мелиорированных землях Республики Калмыкия и экспертная оценка эколого-экономической эффективности сельскохозяйственного производства.
Результаты исследований и их обсуждение.
Архитектура геоинформационной веб-системы. В результате проведенных исследований разработан алгоритм многоуровневой информационно-аналитической системы поддержки принятия решений по интегральному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом. В архитектуру входят подсистемы: комплексного экологического мониторинга, геоинформационная, подсистема моделей управления элементами водохозяйственного комплекса (ВХК) с блоком решения оптимизационных задач по эффективному использованию водных ресурсов ГМС с учетом технических, экологических и экономических рисков (рис. 2).
Рисунок 2. Многоуровневая информационно-аналитическая система поддержки принятия решений по интегрированному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом (МВК)
Подсистема комплексного экологического мониторинга (измерительно-диагностическая подсистема) является начальным модулем системы, в который поступают необходимые для интегрального управления исходные данные. Мониторинг представляет собой систему непрерывного слежения и контроля, куда входят три составляющих:
- контроль за техническим состоянием мелиоративных систем и гидротехнических сооружений (плотин, дамб, каналов, водорегулирующих, водопроводящих и сбросных ГТС);
- контроль за объёмами и химическим составом воды водоисточников, а также в водоприемниках;
- контроль за эколого-мелиоративным состоянием орошаемых земель и прилегающих территорий (режим грунтовых вод, динамика почвенных процессов).
В этот модуль поступают данные дистанционного зондирования Земли, автоматизированных и визуальных наблюдений за показателями состояния компонентов системы производства сельхозпродукции, данные с метеостанций, показания датчиков влажности почвы, вносятся результаты натурных и лабораторных исследований и пр. Собранные данные группируются в трех модулях исходных данных: природные условия, ирригационно-хозяйственные условия и сведения о землепользователях. Информация передается в геоинформационный блок, где происходит наполнение баз и банков данных, в том числе с использованием облачных систем хранения.
Для анализа и обработки данных мониторинга в структуре геоинформационной веб-системы поддержки принятия решений предусматривается подсистема моделей управления элементами МВК (моделирующий блок), содержащая модели для статистической обработки данных, а также математические, экологические, экономические. Программные продукты позволяют выполнить оценку текущего состояния почвенного покрова, гидротехнических сооружений и водных ресурсов. Проводится аналитическое обоснование объёмов и технологии водопользования, сравнение разных режимов орошения и технологий поливов, анализ факторов роста и развития растений, динамики свойств почвенного покрова. В этом блоке на основе моделей предполагается сценарная оценка рисков развития неблагоприятных экологических процессов при орошении, определение эффективности и оптимизация использования водных ресурсов, системы производства сельскохозяйственной продукции.
Результаты модельных исследований используются в аналитической подсистеме обоснования тактических и стратегических решений по управлению состоянием ГТС, мелиоративным состоянием земель, использованием водных ресурсов и, прежде всего, за счет формирования системы плановых инженерных и мелиоративных мероприятий по снижению экологического риска, оптимизации водопользования, повышению продуктивности земель.
Определяющее значение в разрабатываемой экспертной веб-ГИС-системе имеет служебный блок, который, помимо программ сетевого взаимодействия должен включать модуль согласования типов и форматов данных при необходимости интеграции разнородных баз данных, а также модуль резервного копирования. Система обеспечивает интеграцию готовых программных продуктов, веб-ГИС-проектов и онлайн-сервисов в единую технологию поддержки принятия решений и возможность свободного развития и совершенствования на основе собственных исследований.
Информационное обеспечение веб-ГИС-системы. Разработанная веб-ГИС-система [8] 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 созданной веб-ГИС-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. Кроме того, в веб-ГИС-систему входят разработанные авторами веб-приложения, созданные на высокоуровневом языке программирования Python с использованием библиотек Pandas, Plotly, Folium, Scikit-learn и веб-фреймворка Dash):
Treemap – построение иерархической древовидной карты землепользователей Республики Калмыкия;
Scatter – построение 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 (Урожайность, Мелиоративное состояние, Затраты, Состояние ГТС, Качество воды);
Webmap – создание интерактивных веб-карт (веб-ГИС-проектов); Corr – построение корреляционных матриц (зависимости pH, Na, CaCo3, содержание гумуса, емкость катионного обмена, содержание солей для разных типов почв);
Plotter – построение диаграмм рассеяния, например отношение «pH – содержание гумуса» для разных типов почв;
Dashboard - визуальное отображение данных и реализация веб-интерфейса, позволяющего пользователю работать с таблицами и диаграммами в интерактивном режиме, анализ данных для оценки динамики различных показателей, выявление закономерностей, трендов, “выбросов данных” и т.д. [9]. При этом возможно выполнение следующих функций: выборка необходимых данных на основе спектра критериев; визуализация данных в виде специализированных диаграмм, временных серий; визуализация рассчитанных корреляционных зависимостей; классификация (модифицированным методом k-средних kmeans++/silhouette) разбивкой на кластеры; быстрое проведение сравнения.
Myndvi – программа расчета нормализованного относительного индекса растительности NDVI и составления карт вегетационной активности на основе цифровых аэро- и космических снимков [10].
В своей работе веб-ГИС-система использует базы данных (БД) 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 следующие данные:
- БД землепользователей Республики Калмыкия;
- БД водных объектов, содержащих сведения об объёмах поверхностных и подземных водных ресурсов, их минерализации, химическом составе и динамике показателей во времени;
- БД 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;
- БД по характеристике технического состояния и эффективности работы гидротехнических сооружений гидромелиоративных систем.
При разработке экспертной веб-ГИС-системы для выбранного объекта 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) [8,10].
Веб-ГИС-система позволяет строить сравнительные графики урожайности и оросительной нормы по годам для разных землепользователей Республики Калмыкия. Для каждого интегрированного в веб-ГИС-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.
Заключение. Геоинформационная веб-система может быть использована в качестве системы поддержки принятия решений в агрохолдингах, фермерских хозяйствах и других сельскохозяйственных организациях различных форм собственности, в органах управления агропромышленного комплекса (АПК), региональных ФГБУ «Мелиоводхоз», водохозяйственных и проектных организациях, а также в процессах обучения студентов и аспирантов сельскохозяйственных ВУЗов и при повышении квалификации специалистов АПК. Кроме того, на основе подобной системы возможна разработка информационно-аналитических технологий планирования экосистемного водопользования при орошении земель и оперативного управления водораспределением на гидромелиоративных системах. Возможности современных геоинформационных и веб-технологий значительно повышают ценность информационного обеспечения и эффективность управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом. Лицо, принимающее решения, получает возможность оперативно рассматривать большое количество альтернатив, использовать модели при анализе информации и формировании систем возможных решений, их оценки по выбранным критериям, а также оценки последствий принятого решения.
