УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Представлен современный подход к созданию экспертной геоинформационной веб-системы, содержащей данные комплексного экологического мониторинга, фактические технико-эксплуатационные параметры обводнительно-оросительных систем, сведения о видах орошения, способах полива, дозах вносимых удобрений, о величинах фактической и потенциальной урожайности, результаты проведенных тематических многолетних исследований, полевых и лабораторных экспериментов. Веб-система создана на базе свободно распространяемого программного обеспечения с открытым исходным кодом и позволяет лицам, принимающим решения, через сеть Интернет совместно решать экологические, технические и эксплуатационные задачи обеспечения устойчивого развития орошаемого земледелия Республики Калмыкия.
база данных, система поддержки принятия решений, геоинформационные технологии, сетевые технологии, экологический мониторинг, мелиоративно-водохозяйственный комплекс, повышение эффективности сельскохозяйственного производства.
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. Шевченко В.А. Исаева С.Д., Дедова Э.Б. Новый этап развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса Российской Федерации // Вестник Российской академии наук. 2023. Том 93. № 4. С. 355-361
2. Шевченко В.А., Исаева С.Д., Дедова Э.Б. Модель принятия решений в инновационных проектах развития сельскохозяйственного водопользования// Международный сельскохозяйственный журнал. 2022. Том 65. No 2 (386). С. 124-128.
3. Новые способы повышения продуктивности деградированных мелиорированных земель с применением информационных технологий. Ильинский А.В., Коломийцев Н.В., Матвеев А.В., Евсенкин К.Н., Корженевский Б.И. - М.: ВНИИГиМ, 2022. 152 с.
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. Кониева Г.Н., Дедова Э.Б. Проблемы водообеспечения при развитии кормопроизводства в Республике Калмыкия // Материалы международной научно-практической конференции «Роль мелиорации в обеспечении продовольственной безопасности», 14-15 апреля 2022 г. - М.: ВНИИГиМ, 2022. - С. 207-213.
6. Широкова В.А., Дедов А.А., Шабанов Р.А., Дедова Э.Б. Агроэкологический мониторинг состояния Сарпинской обводнительно-оросительной системы. В сборнике: Цифровизация землепользования и кадастров: тенденции и перспективы. Материалы международной научно-практической конференции 25 сентября 2020 года . 2020. С. 496-500.
7. Исаева С.Д., Дедова Э.Б., Бубер А.Л., Бондарик И.Г. Районирование территории зоны недостаточного увлажнения европейской части РФ по обеспеченности орошения и сельхозводоснабжения водными ресурсами с использованием геоинформационных технологий. В сборнике: Научно-технические достижения и разработки ФГБНУ "ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова" (2016-2021 гг.). Сборник научных трудов. Москва, 2021. С. 69-71.
8. Дедова Э.Б., Шабанов Р.М., Дедов А.А. Зональная шкала оценки качества поливных вод для условий Северо-Западного Прикаспия. Свидетельство о регистрации базы данных 2021620676, 09.04.2021. Заявка № 2021620532 от 31.03.2021.
9. Кониева Г.Н., Дедова Э.Б. Проблемы водообеспечения при развитии кормопроизводства в Республике Калмыкия // Орошаемое земледелие. 2022. № 3. С. 17-20.
10. Коломийцев Н.В., Матвеев А.В. Создание информационно-справочной системы на базе веб-технологий для обоснования выбора технологий восстановления плодородия почв и рекультивации деградированных агроландшафтов. В сборнике: Роль мелиорации в обеспечении продовольственной безопасности. Москва, 2022. С. 345-352.
11. Ильинский А.В., Матвеев А.В., Евсенкин К.Н. Информационно-справочная Web-система для принятия управленческих решений по повышению продуктивности почв мелиорированных сельскохозяйственных земель // Мелиорация и водное хозяйство. 2021. № 5. С. 15-18.
12. Матвеев А.В., Дедова Э.Б., Исаева С.Д., Шабанов Р.М. Геоинформационная веб-система поддержки принятия решений по интегрированному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом Республики Калмыкия. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2023663383, 22.06.2023. Заявка № 2023662056 от 07.06.2023.
