Cтатьи и комментарии

Геоматика, № 2'2011

Технологии ГИС в управлении земледелием

Королев Андрей Андреевич (ЗАО КБ «Панорама»)
В 2005 году с отличием окончил факультет экономики и информатики Московского Института Стали и Сплавов, сфера деятельности — разработка программного обеспечения для геоинформационных систем, инженер-программист.
http://geomatica.ru/pdf/2011_02/2011_02_013.pdf

Перед сельскохозяйственными товаропроизводителями стоит ряд важных задач:

  • повышение плодородия пахотных угодий и не допущение деградации почв;
  • повышение урожайности возделываемых культур и качества продукции;
  • минимизация затрат на выполнение агротехнических мероприятий;
  • оптимизация внутрихозяйственной логистики и сокращение простоев;
  • минимизация рисков при производстве продукции.

Решение указанного комплекса задач сопряжено с созданием крупных агрохолдингов и переходом на более высокоинтенсивное земледелие. Основой перехода на инновационное земледелие является наличие информации о точных границах пахотных угодий и их агрохимических и агрофизических характеристиках.
Компания КБ «Панорама» предлагает программные средства для построения аграрной географической информационно-аналитической системы включающей ГИС «Карта 2011» и ГИС «Панорама АГРО». Данные продукты являются базовой частью аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего внутрихозяйственный учет земель предприятия, информационно-аналитическую поддержку технологии точного земледелия и автоматизацию мониторинга механизированных работ. В основе системы управления лежит электронная карта полей и информационная база по плодородию почв.

Средствами ГИС «Карта 2011» обеспечивается технология векторизации границ полей на основе сканированных изображений планов внутрихозяйственного обустройства, материалов аэрофотосъемки, данных дистанционного зондирования земли, измерений местности геодезическими приборами и аппаратурой спутникового позиционирования (см. рис.1,а). Предусмотрены средства доступа к данным дистанционного зондирования, на основе Интернет ресурсов типа GoogleMaps или Космоснимки. Оба ресурса покрывают всю территорию Российской Федерации и имеют встроенные средства для оперативной векторизации границ полигонов. Их точности достаточно для выполнения операций классификации данных, оцифровки границ и принятия управленческих решений.

Для получения изображений местности более крупного разрешения используются геосервисы. С помощью сервиса ImageConnect возможно загрузить космические изображения сверхвысокого пространственного разрешения (до 50 см) со спутников WorldView-1,2 и Quick Bird из архива компании Digital Globe. Процесс извлечения данных прост и заключается в выборе необходимой территории или объекта загрузки. Поученные изображения автоматически встраиваются в проект данных и используются для векторизации границ полей.

На основе оцифрованных горизонталей и/или отметок высот, полученных методами спутниковых геодезических измерений, выполняется построение матриц высот рельефа и их производных (уклоны, экспозиции склонов и пр.). Наложение рельефа на существующую структуру посевных площадей обеспечивает автоматизацию процедур определения точек опробования и составления маршрутов движения для отбора агрохимических проб. Средства построения и анализа матриц качеств предоставляют инструменты для обработки результатов агрохимических, агрофизических и агроэкологических исследований и составления карт содержания питательных веществ и иных характеристик почвы. На основании агрохимических карт готовятся предложения по перепроектировке границ полей, для формирования структуры посевных площадей, где в пределах одного поля состав питательных веществ максимально однородный.

Подготовленные карты полей и атрибутивные сведения о пашне загружаются в ГИС «Панорама АГРО» (см. рис.1,б), которая предоставляет широкий спектр возможностей поддерживающих принятие решений управления земледелием.

Рис. 1,а. ГИС Карта 2011, подготовка карт полей.

Рис.1,б. ГИС Панорама АГРО, практическое использование карт полей.

Одной из основных функций программы является ведение паспортов полей, включая ввод и редактирование атрибутивных сведений о пашне и геопространственную привязку, обеспечивающую режим синхронного отображения атрибутивных данных поля и его изображения на карте. Картографическая и атрибутивная информация об участке пашни привязаны к году урожая, в результате ведется накопление данных – история полей. Для уменьшения трудозатрат при создании паспортов полей (рабочих участков) в системе предусмотрены средства автоматического заполнения данных путём переноса сведений из предыдущего года урожая на следующий в соответствии со схемой севооборота.

Сведения о полях (границы контуров пашни и ее характеристики) приписываются конкретной организации. Наличие в ГИС «Панорама АГРО» встроенных средств построения иерархической структуры подчиненности организаций обеспечивает автоматизированное построение дерева данных, консолидирующего информацию (карты и атрибуты) любой степени вложенности. Данная функция позволяет поиск и фильтрацию данных в пределах крупного холдинга одним или двумя щелчками мыши.

Встроенные средства технологического планирования обеспечивают автоматизацию процедур подготовки технологических карт полей. Сначала создаются шаблоны технологических карт из расчета 1 га пашни с привязкой к культуре и уровню интенсификации, увязанному с плодородием почвы. Далее на основе шаблонов автоматически создаются технологические карты для каждого поля в отдельности.

Подсистема мониторинга обеспечивает консолидацию навигационных данных от тех технических средств хозяйства, на которых установлено специальное навигационное оборудование: программируемый логический контролер (ПЛК) и/или автопилоты. В дальнейшем эти сведения используются для визуализации перемещений техники, расчёта объемов фактически выполненных работ и расхода топлива (см. рис.2).

Программируемый логический контролер включает ГЛОНАСС/GPS приемник и GSM модем. Он обеспечивает регистрацию координат объекта, сбор измерений от установленных датчиков и передачу собранной информации по каналам связи на сервер данных.
Автопилот – устройство, включающее ГЛОНАСС/GPS приемник и карту памяти для записи перемещений техники в файл установленного формата. Данные из таких файлов могут быть считаны системой и нанесены на карту.

 ../images/item/84/img04.jpg

Рис.2. Визуализация навигационных данных (ПЛК и автопилоты)

В системе предусмотрен блок ведения списка объектов мониторинга. Он позволяет осуществлять привязку аппаратных средств мониторинга и опциональных датчиков к технике. Поддерживаются датчики расхода и объёма топлива, включения зажигания, загрузки, работы навесного оборудования и шнека. Существует возможность группировки датчиков и осуществления групповых операций над их показаниями: сложение, среднее значение, максимум и минимум. Это особенно актуально для датчиков расхода и объёма топлива, так как позволяет моделировать топливные системы различной сложности.

Для расчета объемов фактически выполненных работ используются навигационные данные (координаты, курс, скорость), показания датчиков и плановые задания. Планирование и учет механизированных работ производится по следующей схеме:

  • ежедневно в конце рабочего дня формируются плановые задания для водителей и механизаторов на следующий рабочий день;
  • при необходимости утром вносятся изменения и формируются путевые листы и учетные карточки механизаторов;
  • в конце рабочего дня на основе навигационных данных и показаний датчиков выполняется расчет фактически выполненных работ за прошедшие сутки;
  • производится формирование отчетов и справок;
  • для обмена с программами на платформе «1С» выполняется выгрузка фактически выполненных работ для формирования бухгалтерской и финансовой отчетности, предусмотрено две схемы обмена: АгроХолдинг или УСХП.

В заданиях водителям и механизаторам указываются маршруты следования, геозоны возможного нахождения техники и поля на которых выполняются работы. Эти сведения используются в процессе мониторинга, программа автоматически фиксирует различные информационные события: вхождение на маршрут, отклонение от маршрута, превышение времени остановки, превышение лимита стоянки в зоне отстоя, разгрузка бункера не в «свою» машину, остановка с грузом в незапланированном месте и другие. События отображаются на карте и табличной форме (см. рис.3). Предусмотрено установление статуса события и отображение его в таблице различными цветами: информационное - белый, предупреждающее - желтый, тревога - красный и пр.

Рис.3. Визуализация информационных событий (на карте и таблице)

Следует отметить, что при планировании механизированных работ в рамках одного рабочего дня технику можно использовать для проведения технологических операций, относящихся к разным годам урожая. Это позволяет учитывать использование одной и той же техники в рамках одного задания для выполнения работ, как на разных полях, так и технологических операций разных годов урожая.
Ведение парка техники и сельхозагрегатов организовано для всех хозяйств, входящих в иерархию холдинга. Это позволяет при планировании работ «перебрасывать» технику одного хозяйства на поля другого.
В процессе работы оператор может сформировать ряд отчетов и графиков (см. рис.4). Все отчеты создаются автоматически на основании сведений указанных в программе и формируются средствами Microsoft Office. Отчёты разделены на группы по типам: учёт работ и расход топлива, техника, поля, события, технологические карты. Графики строятся по следующим показателям: объем и расход топлива, работа агрегата и факт загрузки, работа зажигания и шнека, скорость и бортовое напряжение. Все графики можно сохранить в графических файлах для дальнейшего анализа и встраивания в отчет.

Рис.4. Построение и анализ графиков показателей мониторинга

На основе рассчитанных значений показателей фактически выполненных работ обеспечивается автоматизированное формирование списка выполненных технологических операций – задача «Разнести данные по полям». Осуществляется выборка значений объемов фактически выполненных работ, привязанных к заданиям механизаторов и привязка этой информации к отдельным полям. Таким образом, данные о выполненных работах кроме привязки к объектам мониторинга приобретают привязку к полям хозяйства. Обычно эта задача выполняется по мере необходимости, когда требуется провести сравнительный анализ запланированных и фактически выполненных технологических операций. Система в автоматизированном режиме анализирует сведения о запланированных и фактически выполненных агротехнических мероприятиях, о планируемых к внесению и фактически внесённых удобрениях, мелиорантах и средствах защиты растений.
Описанная в статье аграрная ГИС успешно применяется во многих российских и украинских аграрных предприятиях.