Трифонова Т.А., Прокошев В.Г.,
Рощин С.В., Краснощеков А.Н.
Владимирский государственный университет, г. Владимир,
trifon-m2@vpti.vladimir.su
В настоящее время актуален вопрос коренного изменения процесса формирования агрономических решений за счет внедрения экологически сбалансированных систем земледелия с широким привлечением возможностей современной техники, в том числе компьютерной. Особое место в аграрной науке сейчас занимает развитие адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ), учитывающих:
- общественные потребности в продукции сельского хозяйства;
- агроэкологические параметры земель (природно-ресурсные свойства);
- агроэкологические требования сельхозкультур, их адаптивный потенциал, средообразующее влияние и др.
Сущность адаптивно-ландшафтной системы заключается в том, что эффективное хозяйственное использование земель ведется с учетом их дифференциации по агроэкологическим группам в соответствии с конъюнктурой рынка, наличием природных и производственных ресурсов, которые обеспечивают устойчивость агроландшафта и воспроизводство почвенного плодородия.
Этапы построения реальной АЛСЗ включают в себя агроэкологическое картирование земель на единой концептуальной основе, разработку проекта землеустройства, создание и внедрение банка данных, максимально характеризующих агробиоценоз, учет в целостной оптимизационной модели всех ограничений и проверку адекватности модельных решений при производственном внедрении.
Нами сделана попытка учета всех этих достаточно разноплановых требований в рамках одной вербальной, а затем и математической модели, обеспечивающей оптимизацию системы земледелия на конкретном хозяйственном примере.
Работа была проведена на базе Владимирского НИИСХ (г. Суздаль), расположенного на землях Владимирского Ополья. Проект по созданию автоматизированной системы планирования посевных площадей предполагает разработку и построение автоматизированной информационно-аналитической системы, которая состоит из следующих функциональных блоков:
- электронная почвенно-ландшафтная карта всего Владимирского Ополья, которая включает информацию по агроэкологическим ресурсам территории, информацию о транспортных путях, постройках и др.;
- электронная база данных, связанная с объектами электронной карты, которая включает необходимую атрибутивную информацию, а также содержит статистические данные по урожайности за последние несколько лет;
- экспертный модуль для анализа показателей реальной продуктивности для различных культур;
- экспертный модуль, обеспечивающий поддержку принятия решений по краткосрочному (до 3 лет) планированию землепользования агроэкологических ресурсов Владимирского Ополья;
- экспертный модуль, обеспечивающий поддержку принятия решений при долгосрочном (более 3 лет) планировании землепользования агроэкологических ресурсов исследуемого участка;
- интерфейсный модуль информационно-аналитической системы, который обеспечивает взаимодействие с конечным пользователем (агрономом, экспертом ВНИИСХ) и не требует поддержки со стороны разработчика информационно-аналитического комплекса.
При разработке и реализации каждого блока проводился детальный анализ его соответствия реальным условиям, чтобы обеспечить высокое качество работы всей системы.
Электронная агроэкологическая карта
За основу взята агроэкологическая классификация групп земель по основным почвенно-экологическим факторам и подгрупп — по интенсивности их проявления. Основными факторами дифференциации служат степень гидроморфизма и эродированность земель. Различия между подгруппами могут быть столь велики, что для них должны применяться разные системы земледелия.
Агроэкологические подгруппы разделяются на классы по характеру почвообразующих пород и на подклассы — по их гранулометрическому составу. Классификация предусматривает подразделения земель по особенностям мезорельефа, крутизне и экспозициям склонов, что позволяет идентифицировать выделенные контуры с аналогичными микроклиматическими условиями.
С учетом всех перечисленных показателей была составлена комплексная детальная карта опытного участка.
Электронная карта Владимирского Ополья была построена на основе карты почвенных ареалов и посевных площадей ВНИИСХ, содержащей информацию об элементарных ареалах агроэкологического ландшафта (АЭЛ). Под каждым таким ареалом понимается однородный почвенный контур, участок на элементе мезорельефа, характеризующийся одинаковыми геологическими, литологическими и микроклиматическими условиями.
Из элементарных ареалов агроландшафта формируются агроэкологические типы земель, которые, в отличие от пространственно фиксированных ареалов по природным условиям, представляют собой систему, которая зависит от адаптивных возможностей культур, условий интенсификации возделывания. В свою очередь, все ареалы классифицируются с учетом возможностей преодоления сельскохозяйственной культурой лимитирующих факторов среды.
Формирование тематических слоёв карты
Электронная карта включает семь самостоятельных слоёв:
- Почвы — для хранения информации об элементарных ареалах агроэкологического ландшафта (ЭАЛ);
- Почвы1 — для хранения информации об ЭАЛ, информация по которым ещё не получена или недостаточно точна (вспомогательный слой);
- Дороги — для хранения информации о дорожно-транспортных путях, которая необходима при планировании посевных территорий;
- Заселённые — для хранения информации о заселённых территориях;
- Реки — для хранения информации о водотоках;
- Другие — для хранения информации об объектах других категорий;
- Водоёмы — для хранения информации о водных бассейнах.
Электронная версия карты реализована средствами программного продукта ArcView GIS.
Основной слой карты содержит около полутора тысяч региональных элементов, каждый из которых соответствует одному элементарному ареалу (ЭАЛ) с одинаковыми агроэкологическими параметрами (Рис. 1).
Естественно, что на формирование посевных территорий большое лимитирующее влияние оказывают не только элементы естественного рельефа (реки, овраги, водоёмы), но и расположение населённых пунктов, транспортных путей и т.д.
Формирование информационных слоев карты
Следующий этап создания электронной карты Владимирского Ополья состоял в формировании информационного слоя карты. Для однозначной идентификации каждому отдельно взятому ЭАЛ на электронной карте, то есть к каждому объекту слоя «Почвы», были присвоены уникальный номер (ID) и строка параметров (EALCODE).
EALCODE содержит полную информацию об агроэкологических параметрах элементарного ареала. Структуру строки EALCODE в общем виде можно представить в виде 1.2.3.4.5.6.7.8.9 (1-2Л.3.4.5.6), где каждая из цифровых позиций обозначает следующее:
1,2 — зональность,
3 — тип почвы,
4 — гранулометрический состав почвы,
5 — уклон склона,
6 — экспозиция склона,
7 — пятнистость почвенного покрова,
8 — контрастность почвенного покрова,
9 — сложность почвенного покрова,
1 -2Л (в скобках) — тип почвы,
3 (в скобках) — освоенность,
4 (в скобках) — гранулометрический состав,
5 (в скобках) — содержание гумуса,
6 (в скобках) — кислотность почвы.
Такой набор характеристик каждого элементарного ареала на ГИС- карте позволяет с разных позиций анализировать пригодность выбранной посевной территории для той или иной сельскохозяйственной культуры.
Рис. 1. Карта элементарных ареалов почв.
Создание информационного слоя карты ГИС и привязка атрибутивной информации к каждому из объектов слоя «Почвы» позволяет воспроизводить различные варианты тематических закрасок карты, облегчающих визуальную оценку преобладания элементарных ареалов с теми или иными наборами агроэкологических параметров (Рис. 1).
Анализ рельефа земель сельхозугодий
Анализ рельефа проводился в 3 этапа:
- оцифровка контуров рельефа и точек с высотами с карты масштаба 1:50 000;
- построение TIN-слоя рельефа с нанесением слоев характеристик земель в ArcView;
- построение GRID-поверхности рельефа в ArcView c модулем 3D Analyst.
Рис. 2. Карта расположения стоков по рельефу
(Слои: линии стоков, TIN рельефа, нас. пункты, дороги).
Рис. 3. Трехмерная карта с ЭАЛ (Слои: GRID-поверхность,
нас. пункты, дороги, речные бассейны, ЭАЛ).
Адекватность элементарных ареалов земель проверялась путем построения линий стока с использованием модуля Spatial Analyst (пример показан на рис. 2). К GRID-поверхности рельефа были привязаны все основные слои (дороги, речные бассейны, водоемы, населенные пункты) и наложены слои с характеристиками земель (пример показан на рис. 3).
Экспертный модуль информационно-аналитической системы
Как было сказано ранее, информационно-аналитический комплекс включает аналитические модули анализа посевных территорий и поддержки принятия решений при планировании распределения культур по различным производственным участкам:
- экспертный модуль для краткосрочного планирования;
- экспертный модуль для долгосрочного планирования.
Их выделение обусловлено тем, что решение задач планирования на длительный период требует учёта ряда дополнительных параметров, например, нужен более детальный анализ севооборотов как для однолетних, так и для многолетних культур.
Каждый из экспертных модулей имеет доступ к базе данных, содержащей результаты анализа предоставленного ВНИИСХ статистического материала по урожайности для различных культур на протяжении нескольких десятков лет. В результате анализа были получены ориентировочные данные продуктивности для различных культур в зависимости от типа почв, технологий интенсификации, вида культур, ранее произраставших на производственном участке, а также метеорологических параметров.
Рис. 4. Информационно-аналитическая система, оптимально распределяющая
сельскохозяйственные культуры по производственным участкам.
Результатом работы каждого из экспертных модулей информационно-аналитической системы является оптимальное распределение сельскохозяйственных культур по производственным участкам (пример на рис. 4). При этом, пользователю комплекса предлагаются количественные оценки урожайности, а также ряда экономических параметров.
Кроме отчета с результатами анализа, каждый из экспертных модулей обновляет информацию электронной карты территории, которая, в свою очередь, отображает слой карты с производственными участками, засеянными оптимальным образом.
Заключение
Таким образом, проведено подробное многокомпонентное картирование агроландшафта, что позволило идентифицировать по сочетанию различных признаков более тысячи элементарных почвенных ареалов. Последние, в свою очередь, комплектовались в агроэкологические типы земель для научно-обоснованной планировки распределения сельскохозяйственных культур и выбираемого уровня технологии. Созданный блок ГИС-системы явился базовым для дальнейшей разработки пакетов технологий возделывания районированных культур для трех возможных уровней интенсификации производства. Это позволило включить «агрономический блок» в экономико-математическую модель оптимизации деятельности сельскохозяйственного предприятия как субъекта рыночной экономики.
В результате работы экспертного модуля информационно-аналитической системы агроном получает фактически готовый план распределения культур по имеющимся производственным участкам и прогноз урожайности как отдельно по каждому участку, так и в сумме по всей территории Ополья. Вся эта информация отображается на экране компьютера в любом масштабе в виде электронной карты с окраской соответственно полученному оптимальному размещению культур. При наличии соответствующего оборудования (принтер, плоттер) можно получить твердую копию карты с любым сочетанием слоёв и в любом масштабе.
Совместные испытания и внедрение созданной системы в производство на примере деятельности ВНИИСХ показали, что система не только предоставляет отличные возможности хранения и обработки статистической информации по урожайности, но и служит мощным инструментом для поддержки принятия решений при планировании использования агроэкологических ресурсов территории.
