Темников В.Н. (директор ГВЦ Минсельхоза РФ), Столпаков А.В. (рук. отдела разработки ГИС ГВЦ Минсельхоза РФ), e-mail: a.stolpakov@gvc.mcx.ru, Рухович Д.И. (ст. научный сотрудник Почвенного института им. В.В. Докучаева РАСХН)
Введение
Для эффективного развития аграрного производства требуется высокоэффективная система земледелия. В свою очередь, создание такой системы в настоящее время вряд ли возможно без внедрения высокоэффективных технологий сбора и обработки информации по сельскохозяйственным показателям. Как свидетельствует мировой опыт, ИТ технологии могут оказать существенную помощь при решении многочисленных задач, связанных с планированием, прогнозом, анализом и моделированием сельскохозяйственных процессов.
Для решения этих и подобных им задач требуются современные методы и средства получения, хранения, обработки и представления разнообразной информации, а также средства обмена информацией. К ним относятся методы сбора значительного объема данных по множеству показателей с весьма значительных по площади территорий. Затем необходимо представить собранные данные в цифровом виде, пригодном для использования в информационных, в том числе геоинформационных системах. Эти системы должны объединять пространственные географические данные, аэро- и космические изображения а также тематические данные по множеству сельскохозяйственных параметров, представленных в картографической и табличной формах. Такие системы можно использовать для выведения значительных массивов информации на экран или на твердую копию в удобных для пользователя видах. Накладывая на собранную информацию другие полученные и собранные данные, такие, например, как качество почвы, условия орошения, метеорологическая информация, фитосанитарные наблюдения, данные полевых агроисследований, данные спутникового мониторинга и т.д., можно получать вторичный производный картографический материал аналитического свойства. На его основании можно судить о степени развития растительных культур на данной площади и в определенное время. Это, возможно, самый оптимальный способ мониторинга состояния растительного покрова, зерновых культур и пастбищ, а также их продуктивности, выявления деградации растительных культур или почвы, прогнозирования урожая и т.д.
ГИС в Министерстве сельского хозяйства РФ
Положение о Министерстве сельского хозяйства РФ (ППРФ от 24 марта 2006 г. № 164) устанавливает полномочия Министерства в области обеспечения устойчивого развития сельских территорий, проведения фитосанитарного и ветеринарного мониторинга, поддержания плодородия почв, рационального использования средств федерального бюджета для финансовой поддержки агропромышленного комплекса РФ.
Реализация этих положений требует соответствующей информационной поддержки, учитывающей географические, климатические, экологические, экономические и другие факторы. Пространственное распределение таких параметров, их взаимодействие моделируются посредством специализированных программных средств – географических информационных систем (ГИС).
В 2003 г. после подготовительных работ Главный вычислительный центр Минсельхоза РФ начал активно проводить мероприятия по внедрению и адаптации ГИС в сельскохозяйственной отрасли. Начальный период этих работ отражен в статье «Минсельхоз ставит на новые технологии: внедрение ГИС в сельском хозяйстве началось» в ArcReview № 2(29) за 2004 год. В ней были перечислены основные направления работ, выполненных за достаточно короткий срок практически с нуля. Они включали организационно-технические мероприятия, разработку и адаптацию необходимой нормативной документации на картографические данные и данные дистанционного зондирования, необходимые для отрасли, организацию поступления базового картографического материала, создание действующего макета централизованного приема данных дистанционного зондирования земель сельскохозяйственного назначения и многие другие.
В последующие годы (2004-2006) ГВЦ Минсельхоза РФ подготовил и обеспечил отрасль значительным объемом информационных ресурсов в числе которых:
- векторные цифровые модели местности различных масштабов (1:1 000 000 и 1:200 000) на всю территорию сельскохозяйственной зоны РФ в форматах ArcGIS;
- тематические картографические данные: почвенные карты, карты негативных процессов, ландшафтные карты и др.;
- архивы оперативных спутниковых данных за несколько лет на территорию субъектов РФ (в настоящее время на территорию 38 субъектов РФ, покрывающих практически всю пахотную зону страны);
- тематические фактографические данные по статистическим параметрам, параметрам фитосанитарного и ветеринарного состояния регионов РФ, а также по агроклиматическим показателям;
- цифровые материалы, полученные в результате подготовки к проведению Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 г.
Параллельно с накоплением цифровых информационных ресурсов были проведены работы по созданию новых и адаптации существующих средств программной обработки цифрового картографического материала, отраслевой тематической информации и данных дистанционного зондирования на основе разработанной нормативной и методической документации. Все это позволило в 2006 году приступить к разработке Системы Дистанционного Мониторинга Земель (СДМЗ) сельскохозяйственного назначения. Система предназначена для интеграции накопленных архивных и вновь поступающих из различных источников данных с целью дальнейшей их интерпретации и предоставления выходных информационных продуктов, необходимых для поддержки принятия решений на федеральном и региональном уровнях. Реализация и использование отдельных компонентов системы начались практически с самого начала работ по внедрению ГИС в сельскохозяйственную отрасль, планирование и разработка других проводилась и проводится в настоящее время. Все это создает основу для их постепенного объединения в единую информационно-технологическую модель на основе общей схемы, разработанной в 2005 г. В этой модели представлено концептуальное изложение возможностей, стратегий, направлений и задач развития геоинформационных технологий в системе управления сельскохозяйственной отраслью.
Структура Системы дистанционного мониторинга земель
Общая схема Системы дистанционного мониторинга земель, представляющая собой обобщенный уровень взаимодействия компонентов системы и ее информационных потоков, показана на рис. 1. Система создается на основе программных средств компании ESRI.
рис. 1. Общая схема Системы дистанционного мониторинга Земель сельскохозяйственного назначения.
Центральное место в системе занимает федеральная ГИС, построенная по иерархическому принципу – от федерального уровня до уровня субъектов РФ (с принципиальной возможностью доступа на районный уровень и уровень сельхозпредприятия). Конечно, на федеральном уровне нет необходимости часто просматривать и оперировать данными более детальными, чем региональная информация, но такая возможность все же заложена в построение ГИС. Федеральная ГИС, как видно из рисунка, оперирует данными из хранилища, которое делится на две составляющие: блок стационарной и блок оперативной информации (это разделение в некотором смысле условно), что необходимо для повышения эффективности работы технических средств. В блоке стационарной информации находятся данные, не изменяющиеся в течение некоторого времени – это, например, подготовленные на территории субъектов РФ цифровые модели местности, тематические карты сельскохозяйственного назначения на территорию всей страны, архивные данные дистанционного зондирования, статистические данные и т.п. Информация этого блока может быть продуктом работы самой СДМЗ или может поступать из внешних источников с обязательным прохождением этапа входного контроля.
В блок оперативной информации поступают, главным образом, данные из системы оперативного спутникового мониторинга – в настоящее время основного источника данных дистанционное зондирование земель. Этот компонент был разработан и поддерживается Институтом космических исследований РАН. Данные спутникового мониторинга, в свою очередь, делятся на две составляющие: это ежедневные (от одного до трех раз в сутки) изображения облачности, снежного покрова, вегетационных индексов и др., полученные со спутников серии NOAA и Terra с разрешением 1000 и 250 метров, а также композитные изображения, полученные после обработки первичных спутниковых продуктов (двухнедельные композитные изображения вегетационных индексов). Спутниковые данные одновременно поступают на сайт оперативного спутникового мониторинга, информация которого доступна любому желающему по адресу WWW.AGROCOSMOS.GVC.RU. На сайт выкладывается разнообразная спутниковая информация по территориальному и тематическому принципам, показываются сравнительные данные по годам, приводятся аналитические графики, построенные по результатам обработки данных и т.д. На сайте также представлен большой объем другой информации. На рис. 2 приведен пример композитной спутниковой сцены нормализованного вегетационного индекса (NDVI) на территорию Ульяновской области. Разница между информацией на сайте и на FTP-сервере заключается в том, что сайт предоставляет изображения в виде простых картинок, которые можно просмотреть и скачать, но которые не имеют привязки к реальным картографическим данным. Данные на FTP-сервере, доступные лишь авторизованным пользователям, имеют реальную географическую привязку и могут использоваться для совмещения с любыми пространственными данными, которые имеются у пользователя (параметры проекций пространственных данных закреплены для каждого региона РФ).
рис. 2. Пример композитной спутниковой сцены.
В хранилище данных также поступает информация по таким параметрам, как фитосанитарная и ветеринарная обстановка территории РФ, агроклиматические параметры, статистические данные по различным показателям сельскохозяйственного производства, данные о почвах и информация о наземных наблюдениях, а также любые другие данные, имеющие отношение к сельскохозяйственной тематике (например, ценовая и экономическая информация).
Вся поступающая информация проходит определенную обработку, зависящую от вида информации (по методам – от ручной до автоматической программной), с целью приведения ее к виду, пригодному для использования в ГИС. Для этого разработан набор спецификаций информационных продуктов, которые детально описывают структуры и форматы используемых данных. В зависимости от вида информации она также может поступать в блок стационарной или оперативной информации. Например, архивная статистическая информация по годам после ее нормализации к единому виду представления помещается в раздел стационарной информации и может быть доступна как исторический материал для выполнения различных задач анализа и сравнения с использованием картографической основы. Статистическая информация, поступающая в течение весенних и осенних полевых работ, является, по существу, оперативной. При ее привязке к картографическим материалам можно наглядно показывать ход сева и уборки сельскохозяйственных культур.
Собственно говоря, почти любая поступающая в хранилище информация может использоваться в качестве оперативной. На ее основе могут формироваться оперативные информационные продукты, например, если говорить о спутниковой информации, – двухнедельные композиты вегетационного индекса (рис. 2). Поступая далее в долговременное хранилище, она используется уже в качестве аналитических продуктов. Например, на основе архивных данных композитов вегетационного индекса за несколько лет проводится построение кривых хода вегетационного индекса за текущий год и сравнение их с кривыми хода за предыдущие года. На этой основе можно составлять прогноз развития сельскохозяйственных культур, используя метод года-аналога. Результаты такого сравнения, которые обрабатываются системным компонентом спутникового мониторинга по каждому из субъектов РФ, можно посмотреть на сайте (рис. 3). Аналогичным образом обрабатываются и представляются данные по фитосанитарной и ветеринарной обстановке территории РФ, информация по агроклиматическим параметрам.
рис. 3. График хода вегетационного индекса за 2006 г. и сравнение его с 2005 г. по пахотным и непахотным землям.
Стоит отметить, что количество блоков, показанных слева на рис. 1, не ограничено. В системе может быть использована любая информация, имеющая геопространственную привязку в явном или опосредованном виде.
Информация, обработанная отраслевой ГИС, поступает на аналитический уровень. Здесь создаются информационные продукты для конечного пользователя федерального уровня: карты, схемы, графики, презентационные материалы и отчеты.
По тем же принципам, что и федеральная ГИС, строятся и региональные ГИС, организация которых происходит на базе региональных министерств сельского хозяйства. Отличия в построении ГИС заключаются в методах использования программных средств ГИС и наборах информационных продуктов, необходимых для функционирования региональных центров. Информация от федеральной ГИС в виде картографических продуктов и вторичных продуктов обработки информации доступна региональным клиентам через FTP-сервисы. В свою очередь, федеральная ГИС через те же сервисы получает из региональных центров материалы, которые можно получить или создать только на региональном уровне.
Технические требования к ГИС различных уровней
В состав ГИС Федерального уровня входят разнообразные базовые и тематические наборы данных. Для их хранения, обработки, анализа, представления и распространения в принятых форматах используется настольные ГИС-продукты и серверное программное обеспечение разного назначения.
Состав доступных данных:
- топографическая основа 1:1 000 000;
- модель рельефа с разрешением 1 км;
- материалы космической съемки с разрешением 1 км;
- карта земельных угодий 1:4 000 000 (рис. 4);
- ландшафтная карта масштаба 1:2 500 000 и база данных к ней (рис. 5);
- карта растительности 1:4 000 000;
- почвенная карта 1:2 500 000 и база данных к ней с разделением по почвенным слоям и, погоризонтно, – данные агрохимии и физических параметров (рис. 6). В настоящее время производится постепенная замена этой карты на почвенную карту масштаба 1:1 000 000 (рис. 7);
- карта административного деления до уровня субъектов РФ;
- двухнедельные композитные изображения спутникового мониторинга на сельскохозяйственную зону РФ;
- статистические, климатические, фитосанитарные данные по субъектам РФ.
рис. 4. Карта земельных угодий РФ масштаба 1:4 000 000 на территории пашни.
рис. 5. Ландшафтная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.
рис. 6. Почвенная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни.
рис. 7. Почвенная карта южной и центральной территорий РФ масштаба 1:1 000 000.
Основная масса данных федерального центра СДМЗ размещается на сервере геопространственных данных. В дополнение к ним может использоваться информация, предоставляемая региональными центрами СДМЗ.
В качестве базового программного ГИС-обеспечения используются продукты семейства ArcGIS. Оптимальным по функциональности клиентским программным пакетом на данном уровне является ArcInfo. Для более простых задач может использоваться ArcView. Для обработки космических снимков применяется ERDAS IMAGINE.
Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО. На сервере геопространственных данных картографические данные хранятся в корпоративной базе геоданных под управлением ArcSDE в среде Microsoft SQL Server или Oracle. Космические снимки, растровые карты и регулярные цифровые модели рельефа доступны в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE, для их хранения используются база геоданных и файловая структура. Табличные данные хранятся в Microsoft SQL Server. Для работы с документами применяется файловая структура и Microsoft SQL Server.
Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Картографические данные хранятся в персональной базе геоданных в среде Microsoft Access и в виде шейп-файлов, растровые карты, снимки и ЦМР – в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE. Для хранения табличных данных используются Microsoft Access и dBase, а для документов – файловая структура и приложения Microsoft Office.
В региональных центрах ГИС имеет несколько другой состав данных:
- топографическая основа 1:200 000 и 1:100 000;
- модель рельефа с разрешением 90 м;
- материалы космической съемки с разрешением 60 м;
- карта административного деления до уровня районов;
- схема полей масштаба 1:100 000;
- карта почвообразующих пород масштаба 1:300 000 (рис. 8, 9);
- почвенная карта масштаба 1:300 000 и база данных с разделением по СХ зонам и погоризонтно (данные агрохимии и физических параметров);
- карты распределения ветровой и водной эрозии масштаба 1:300 000;
- двухнедельные композитные изображения спутникового мониторинга на территорию субъекта;
- статистические, климатические, фитосанитарные данные по районам.
рис. 8. Региональная почвенная карта масштаба 1:300 000 на территорию Ростовской области.
рис. 9. Фрагмент региональной почвенной карты масштаба 1:300 000 на территорию Азовского района Ростовской области.
В качестве базового ПО ГИС также используются продукты семейства ArcGIS. В случае малой активности регионального центра может использоваться более простой продукт ArcView. В тех регионах, где уже используются ГИС-продукты ESRI предыдущего поколения (ARC/INFO, ArcView GIS) или других фирм, идет постепенный переход на продукты ArcGIS. Этот переход позволит обеспечить технологическое единство СДМЗ, сократить издержки на конвертацию данных, упростить подготовку кадров, гарантировать масштабируемость программно-информационного обеспечения региональных центров.
Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО. Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Если в региональном центре СДМЗ устанавливается сервер для обслуживания группы специалистов, то основной массив данных размещается на этом сервере. В любом случае, в дополнение к собственным данным регионального центра, специалисты могут пользоваться информацией, предоставляемой федеральным центром СДМЗ. В целом, структура ГИС регионального уровня может значительно меняться в зависимости от местных условий, хотя ведется работа по ее унификации.
Заключение
Как можно понять из вышеизложенного, система постепенно развивается и по структуре, и по содержанию. В 2006 году был проведен комплекс мероприятий, направленных на сбор, получение и обработку данных сельскохозяйственного назначения, на адаптацию стандартных и создание новых программных продуктов для обработки первичных данных. Большое внимание уделялось расширению возможностей оперативного спутникового мониторинга и подготовке различных цифровых картографических продуктов и метаданных. То есть, фактически, все работы ведутся в рамках общей структурно-информационной и технологической модели, показанной на рис. 1, и направлены на последовательное построение и ввод в действие компонентов СДМЗ.
