Темников Владислав Николаевич — директор ГВЦ (Главный Вычислительный Центр Министерства сельского хозяйства РФ)
Мельник Никита Николаевич — 1-й зам. Директора, n.melnik@gvc.mcx.ru
Столпаков Андрей Владимирович — рук. отдела разработки ГИС, a.stolpakov@gvc.mcx.ru
Сельское хозяйство является важной отраслью экономики Российской Федерации. Агропромышленная политика государства сегодня направлена на то, чтобы сделать эту отрасль высокоэффективной и высокорентабельной, а также ориентированной на экспорт российской сельскохозяйственной продукции.
Сельское хозяйство неразрывно связано с географией. В то же время, такое научно-прикладное направление как География сельского хозяйства всегда считалось наиболее трудоемкой ветвью экономической географии в силу огромного количества исходной информации, которую необходимо обработать и проанализировать для получения достоверных выводов и оценок, принятия на их основе оптимальных решений и получения нужных конечных результатов. Эта информация, как правило, весьма разнохарактерна, она включает целую совокупность природных, экономических и социальных показателей, взаимодействующих и влияющих друг на друга. Для полноценного многофакторного анализа столь разноплановой информации на современном уровне требуются современные компьютерные средства и технологии, такие как технология Географических информационных систем (ГИС).
ГИС для сельского хозяйства
Бурно развивающиеся ГИС-технологии позволяют значительно ускорить и повысить эффективность исследований на всех уровнях территориальной организации сельского хозяйства. Они, например, обеспечивают такие возможности, как построение сельскохозяйственных математико-картографических моделей, составление классификаций и типологий по различным критериям, проведение прикладного районирования и т.д. А такой часто используемый прием, как построение тематических карт для последующего анализа, с использованием инструментальных средств ГИС превращается в чисто техническую операцию, специалисту остается лишь задать параметры оформления карты согласно принятым стандартам. Многообразие же задач, в том числе аналитических, которые можно решать с помощью ГИС, трудно даже просто перечислить.
Однако для создания полноценных тематических цифровых карт требуются огромные объемы данных, причем именно этап сбора и структуризации этих данных обычно является наиболее длительным и трудозатратным при создании систем, основанных на ГИС. Многофункциональная ГИС сельскохозяйственного назначения должна включать разнообразные материалы и данные: цифровые топографические карты разных масштабов, почвенные и агрохимические карты, цифровые модели рельефа, материалы наземных наблюдений, статистические данные, исторические сведения, данные дистанционного зондирования (ДДЗ) и многое другое.
Рис.1
На создание и обновление этой информации требуются годы и значительные средства, которых, как известно, всегда не хватает. Поэтому на этапе разворачивания работ по внедрению ГИС в сельское хозяйство стоит задача создания первоначального банка цифровой картографической информации. Министерство сельского хозяйства фактически находится на начальном этапе создания общекорпоративной ГИС. Пока работы в этом направлении велись только в Департаменте мелиорации и водного хозяйства и Департаменте чрезвычайных ситуаций, причем без достаточной картографической базы.
В настоящее время условия для разворачивания таких работ достаточно благоприятны, поскольку в ряде государственных и коммерческих организаций имеются большие объемы картографических данных различных масштабов и в нужных форматах, которые непосредственно или с минимальными доработками можно использовать в качестве основы банка данных. В то же время следует учитывать, что картографическая основа создает лишь тот базовый слой, на который требуется накладывать тематические карты, фактографический материал и оперативную информацию. Такая информация в требуемых объемах может быть получена только на основе использования данных дистанционного зондирования. Этот аспект стоит рассмотреть несколько подробнее.
Получение оперативной информации
Благодаря достижениям в области науки, техники и информатики, в последние годы кардинально изменились аппаратура зондирования Земли из космоса, принципы передачи собираемой информации и методы ее обработки. Многочисленные геостационарные, солнечно-синхронные и полярные орбитальные спутники обеспечивают глобальные наблюдения и высокую оперативность передачи данных. В мировой практике данные дистанционного зондирования Земли из космоса широко используются для изучения состояния растительного покрова и прогноза продуктивности выращиваемых культур.
Рис.1
В настоящее время традиционная система обеспечения оперативной информацией органов управления федерального, областного и районного уровней, которая опирается на данные государственных статистических служб и сеть агрометеорологических станций, работает малоэффективно. Статистическая информация создается на основе данных, представляемых самими производителями сельхозпродукции, и поэтому не является объективной. Редкая сеть агрометеостанций не в состоянии в полной мере оценивать все необходимые параметры сельскохозяйственного производства. Эти проблемы можно хотя бы частично решить за счет внедрения новых средств и технологий сбора и обработки информации, пригодной для использования в сельскохозяйственной деятельности. В первую очередь речь идет о мониторинге сельскохозяйственных угодий на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса с целью оценки и прогноза влияния погодных и климатических условий на состояние и продуктивность посевов. Дистанционные методы дают объективную информацию и более оперативны в применении, что позволяет одновременно вести наблюдения за землепользованием и давать прогноз продуктивности сельскохозяйственных культур.
Мировой опыт
Более чем 15-летний мировой опыт убедительно подтверждает, что съемки из космоса не только дают возможность улучшить сбор сельскохозяйственной статистики, повысить точность, однородность, объективность и частоту наблюдений, но и позволяют существенно усовершенствовать методы оперативного контроля состояния посевов и прогноза урожая. Во многих странах мира (Канада, США, страны ЕС, Индия, Япония, Китай и др.) государственные, в том числе информационно-маркетинговые службы в своей деятельности широко используют ДДЗ сельскохозяйственных угодий. Например, система MARS (Сельскохозяйственный мониторинг на основе ДДЗ), обслуживающая страны Европейского сообщества, позволяет определять площади посевов и урожайность сельскохозяйственных культур, начиная с уровня страны и вплоть до отдельных фермерских хозяйств. Результаты анализа используются для оптимизации управления сельскохозяйственным производством, в том числе для контроля за объемами производства в рамках государственных программ поддержки сельскохозяйственных производителей.
Многолетний опыт разнопланового практического применения ДДЗ накоплен в США. Здесь во всех штатах научно-исследовательские и прикладные работы проводятся Сельскохозяйственной Службой, Службой охраны природы и стабилизации в сельском хозяйстве, Бюро по мелиорации, Бюро по управлению земельными площадями и др. Так, на полигонах в штатах Южная Дакота и Аризона материалы наземных исследований и аэрофотосъемки и, все в большей степени, спутниковые данные широко используются для нужд сельскохозяйственного производства: в оценке урожайности и продуктивности пастбищ, установлении связи между плодородием и влажностью, топографией местности, картографировании почвенного и растительного покровов. При Департаменте сельского хозяйства США имеется специальный отдел Foreign Agricultural Service (FAS USDA), занимающийся мониторингом стран — сельскохозяйственных производителей и активно использующий спутниковую информацию. Результаты проводимого анализа публикуются каждые две недели в специальном коммерческом бюллетене World Agricultural Statistical Production Estimation.
Рис.1
Значительный опыт использования космического мониторинга для оценки состояния сельскохозяйственных угодий к настоящему времени имеется также и у ближайшего соседа России – Казахстана (проект «Национальная система космического мониторинга сельского хозяйства»). Практическое использование ДДЗ для определения размеров посевных площадей яровых зерновых культур в Северном Казахстане было инициировано заказом Правительства Республики Казахстан в 1997 г. Первоначально использовалась спутниковая информация низкого пространственного разрешения (распознается объект, линейные размеры которого превышают 1100 м). В 1998 г. анализировались многозональные снимки среднего разрешения российского спутника РЕСУРС, сканер МСУ-СК. В 2000-2001 гг. при помощи специальной программы технической помощи Европейского сообщества (TACIS, проект ISEAM) была внедрена европейская технология анализа сельскохозяйственного производства. Соответствие между наземными обследованиями одной из областей республики и данными дешифрирования космической информации среднего разрешения (РЕСУРС/МСУ-СК и TERRA/MODIS) составило более 95%. Из 1327 сельскохозяйственных полей, распознанных на основе ДДЗ как посевы яровых зерновых культур, засеянными зерновыми оказались 1268 полей. Анализ 5% несоответствий показал, что они были связаны в основном с недостатком безоблачной информации (часть территории в момент съемки была закрыта облачностью) и различиями в календарных датах проведения основных сельскохозяйственных работ в разных районах. В 2002 г. в течение вегетационного сезона был проведен космический мониторинг сельскохозяйственных угодий еще пяти областей, включающий оценку посевных площадей и прогноз урожайности зерновых культур на основе данных, получаемых со спутников NOAA, MODIS и Метеор-3M. Для каждой области были построены карты-схемы расположения посевов в масштабе 1:1 000 000, рассчитан размер посевных площадей, проведен анализ агрометеорологических условий за период с мая по июль месяцы и составлен прогноз урожайности, представленный в объеме валовой продукции.
Обобщая мировой опыт применения ДДЗ в сельском хозяйстве, можно заметить, что для оперативного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения чаще всего применяется два основных метода:
- использование данных низкого и среднего разрешения для покрытия больших территорий, что, конечно, очень важно для российских просторов. Эти данные могут быть получены практически на любой регион, имеют низкую стоимость и высокую периодичность (до нескольких снимком в день). Все это позволяет проводить анализ последовательных серий изображений, создавать на их основе различные синтезированные карты и композиты по многим параметрам.
- использование данных высокого разрешения для отдельных территорий. При высокой стоимости этих данных, неполном покрытии нужных регионов и недостаточной периодичности, применение их для оперативного мониторинга (который требуется проводить 3-4 раза за сезон) не всегда возможно. Зато они хорошо подходят для задач картирования земель сельскохозяйственного назначения, распознавания культур (с учетом данных эталонных участков), для решения различных прикладных задач регионального и районного уровней.
Космические изображения, необходимые для проведения мониторинга основных зерносеющих регионов РФ, представлены в следующей таблице.
| Спутник | Разрешение | Период съемки |
| NOAA | 1 км | Январь — октябрь |
| MODIS | 250 м | Март – сентябрь |
| Landsat | 30 м | Май – июль |
| МЕТЕОР | 45 м | Май – июль |
Российский опыт
Работы по использованию ГИС в сельскохозяйственной отрасли РФ были инициированы в 1999 г. в Департаменте информатики, анализа и прогнозирования и в Главном вычислительном центре (ГВЦ) министерства. После изучения рынка ГИС в 2001 г. по программе ARIS министерством были приобретены инструментальные средства для разработки ГИС – локализованные программные продукты семейства ArcGIS: ArcInfo, как основная инструментальная среда для создания, хранения и обработки картографических данных на федеральном уровне, ArcView – на региональном уровне, а также ряд дополнительных модулей, обеспечивающих расширенные возможности создания, обработки и анализа разнообразной пространственной и атрибутивной информации. Для обработки данных дистанционного зондирования был приобретен программный продукт ERDAS IMAGINE компании Leica Geosystems, позволяющий легко интегрировать ДДЗ с картографическим материалом в единой ГИС- среде. Примечательно, что в том же номере ArcReview (№ 1 (20) за 2002 г.), в котором сообщалось о том, что компания «ДАТА+» выиграла тендер на поставку в Министерство сельского хозяйства программных продуктов ESRI и Leica, есть и сообщение о подписании в августе 2001 г. Департаментом сельского хозяйства при правительстве США (USDA) и компанией ESRI соглашения о закупке общекорпоративной лицензии на использование программного ГИС- обеспечения ESRI в центральном аппарате, в его региональных подразделениях и в 26 государственных агентствах, которые объединяет USDA.
Рис.1
В 2002 г. тема ГИС получила дальнейшее развитие в рамках концептуальных программ Автоматизированных Информационных Систем министерства, АПК (АИС) и Системы Информации о рынках (СИР), что позволило к началу 2003 г. выйти на разработку плана внедрения этой технологии в регионы и принятие конкретных мер.
В 2003 г. в рамках Государственного контракта ГВЦ Минсельхоза провел подготовительные работы по внедрению и адаптации ГИС в сельскохозяйственной отрасли. За достаточно короткий срок были выполнены работы по следующим основным направлениям:
- Организационно-технические мероприятия.
- определение регионов, расположенных в различных агроклиматических зонах с различными условиями сельскохозяйственного производства, с целью выявления нескольких подготовленных и заинтересованных во внедрении ГИС-технологий регионов и обследования их на предмет наличия необходимых программно-технических средств;
- разработка и адаптация временной нормативной документации на картографические данные и данные дистанционного зондирования;
- организация обучения пользователей выбранных регионов работе с инструментальными средствами ГИС (при содействии компании «ДАТА+» и учебно-методического центра «ГИСПроект»);
- передача необходимых программных ГИС- средств и базового картографического материала в выбранные регионы, а также предоставление доступа к серверу оперативных спутниковых изображений ГВЦ Минсельхоза.
- Организация поступления базового картографического материала: цифровых моделей местности разных масштабов и кадастровых карт в форматах принятой инструментальной платформы ГИС (покрытия ArcInfo и шейп-файлы). Был собран большой объем цифровых карт: карты для федерального уровня масштаба 1:1 000 000 на всю Россию, регионального уровня масштаба 1:200 000 — на основные сельскохозяйственные регионы и карты более крупных масштабов на отдельные районы. Проведены работы по сшивке цифровых карт на выбранные регионы и их обновление по материалам космической съемки.
- Создание действующего макета системы централизованного приема данных дистанционного зондирования.
Наибольшие усилия были направлены на разработку проекта отраслевой системы спутникового мониторинга. Она должна в оперативной режиме обеспечить Министерство сельского хозяйства РФ и другие заинтересованные организации объективной информацией о параметрах землепользования и площадях посевов сельскохозяйственных культур, в первую очередь яровых и озимых зерновых культур, в основных зерносеющих регионах Российской Федерации.
С помощью системы спутникового мониторинга планируется контролировать сроки и качество проведения основных агротехнических работ, условия тепловлагообеспеченности вегетационного периода, роста, развития и состояния посевов сельскохозяйственных культур, ожидаемую урожайность, возможность повреждения посевов при неблагоприятных погодных условиях, от особо опасных болезней, вредителей и др.
Оперативные материалы в виде обзорных цифровых карт для различных пространственных масштабов, таблиц с результатами решения прикладных задач, пояснительных записок с анализом текущей ситуации будут передаваться потребителям. Основные потребители этих материалов на подготовительном этапе – Министерство сельского хозяйства РФ и региональные органы управления АПК. Основными разработчиками и исполнителями являются Главный вычислительный центр МСХ РФ, Институт космических исследований РАН (ИКИ), Федеральный кадастровый центр «Земля» Федеральной службы земельного кадастра. ИКИ располагает собственными станциями приема спутниковой информации, развитыми технологиями обработки данных дистанционного зондирования и опытом работы с различными министерствами и ведомствами, в том числе и с Министерством сельского хозяйства РФ. ФКЦ «Земля» имеет большой опыт обработки спутниковых данных высокого разрешения для решения задач ведения кадастра и оценки земель, в том числе и сельскохозяйственного назначения.
В 2003 г. году реализован рабочий макет системы приема ДДЗ и производных материалов, полученных на их основе, через Веб-интерфейс, внешний вид которого показан на рис. 1. Действующий макет рассчитан, в первую очередь, на работу с данными приборов AVHRR (NOAA), MODIS (Terra, Aqua), VEGETATION (SPOT), МСУ-Э (Метеор-3М). Для снижения эксплуатационной стоимости предусмотрены средства автоматизированного сбора, обработки, хранения и представления данных. Продукты обработки ДДЗ низкого и среднего разрешения доступны ежедневно на территорию южных регионов, высокого разрешения – на отдельные районы.
Архив результатов тематической обработки ДДЗ содержит в настоящее время следующие типы продуктов: карты изображений облачности, карты температуры подстилающей поверхности, карты NDVI (нормализованного разностного вегетационного индекса). Примеры изображений текущего года с разрешением 1 км на территорию Ростовской области на 14 апреля, 12 июля и 30 августа, показывающие динамику изменения индекса NDVI, представлены на рис. 2–4. Изображение индекса NDVI с разрешением 40 м на территорию Азовского района Ростовской области на 14 апреля с наложенными границами полей, построенными по данным спутника Landsat 7 TM предыдущего года, приведено на рис. 5.
Рис.1
Полученный и созданный цифровой материал представляет собой основу для формирования банка картографических и спутниковых данных, информационные ресурсы которого в дальнейшем предполагается широко использовать в отрасли.
Конечно, проведенные мероприятия являются только первым шагом на пути внедрения ГИС в сельскохозяйственную область. В декабре 2003 г. в Ростове-на-Дону прошло совещание с участием администрации министерства, представителей региональных организаций и организаций-исполнителей, где обсуждались перспективы развития направления и были приняты решения об интеграции усилий на основе кооперации центральных, региональных и ведомственных организаций. На следующем этапе предполагается приступить к созданию опытных региональных сельскохозяйственных ГИС-центров на базе территориальных органов управления АПК, выработке методических рекомендаций по внедрению ГИС в регионы, разработке промышленных методик и технологий обработки картографических и спутниковых данных для принятия оперативных управленческих решений как на федеральном, так и на региональном уровнях.
