Россия
Россия
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
Представлены результаты исследований по разработке экспертной геоинформационной веб-системы поддержки принятия решений, направленной на интегральное управление мелиоративно-водохозяйственным комплексом, при котором реализуется синхронный процесс контроля и комплексного управления техническим состоянием гидротехнических сооружений, экологическим состоянием мелиорированных земель и состоянием водных объектов. Веб-ГИС-система предназначена для сбора, хранения, анализа и предоставления необходимой для интегрального управления информации, сужения области поиска рационального решения на основании предоставляемых результатов системных исследований, для повышения обоснованности принимаемых решений.
геоинформационные технологии, мелиоративно-водохозяйственный комплекс, интегральное управление, водные ресурсы, мелиорированные земли, гидротехнические сооружения.
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.
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. 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.
3. Матвеев А.В., Шабанов Р.М., Дедова Э.Б., Исаева С.Д. Создание экспертной системы с применением геоинформационных и веб-технологий для совершенствования организации управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом // Сельский механизатор. – 2024. – № 2. – С. 35–36. – DOIhttps://doi.org/10.47336/0131-7393-2024-2-34-35-36.
4. Щедрин В.Н., Васильев С.М., Слабунов В.В., Слабунова А.В., Завалин А.А. Подходы к формированию информационной системы «Цифровая мелиорация» // Информационные технологии и вычислительные системы. 2020–№ 1.- С.54-64.
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 г. – М.: ГУЗ 2020. С. 496–500.
7. 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.
8. 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 RU 2023663383, 22.06.2023. Заявка № 2023662056 от 07.06.2023. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2023663383, 22.06.2023. Заявка № 2023662056 от 07.06.2023.
9. Матвеев А.В. Информационная веб-панель для интерактивной визуализации и анализа данных. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 202461450, 01.02.2024. Заявка 2024611123 от 23.01.2024.
10. Матвеев А.В., Дедова Э.Б., Исаева С.Д., Шабанов Р.М. Программное обеспечение для анализа вегетационной активности растительного покрова сельскохозяйственных угодий по данным дистанционного зондирования. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ RU 2023685941, 01.12.2023. Заявка 2023684516 от 15.11.2023.
