Высокий и устойчивый уровень продуктивности современного сельского хозяйства (прежде всего земледелия) возможен лишь на основе комплексного учета всех агрохимических и агроэкологических факторов, необходимых для нормального роста и развития растений, формирования урожая соответствующих уровня и качества, при недопущении процессов экологической деградации земель. В конечном счете этим обеспечивается непосредственный выход на управление земельными ресурсами разных территориальных уровней. При этом управление понимается как совокупность функций сложно организованной системы, направленной на рациональное использование ресурсов в целях обеспечения эффективного функционирования [1, 2]. Важную роль играет геопространственный анализ с использованием геоинформационных технологий и сервисов получения и обработки данных дистанционного зондирования (преимущественно отечественных), в значительной степени снижающих финансовую нагрузку на деятельность хозяйствующих субъектов агропромышленного комплекса (АПК) по организации и ведению сельскохозяйственного мониторинга и управлению земельными ресурсами [1, 2].
Повышение эффективности управления земельными ресурсами является одной из основных задач в концепции развития агропромышленного комплекса (АПК) Российской Федерации [3]. Внедрение геоинформационных технологий, использование облачных вычислительных сред позволяют ускорить цифровую трансформацию сельского хозяйства, снижая при этом финансовую нагрузку на деятельность сельхозпроизводителей по организации и ведению сельскохозяйственного мониторинга и управлению земельными ресурсами [2, 3].
Целью исследования является выявление и анализ существующего опыта и перспектив использования новых технологий и пространственных геоданных в управлении АПК Республики Мордовия.
Материалы и методы исследования
В настоящее время на территории Российской Федерации в целом и Республики Мордовия в частности накоплен определенный практический опыт использования новых технологий и пространственных геоданных в управлении АПК. Важными факторами, способствующими инновационному развитию в целом, являются процессы глобализации политики, экономики, техники и технологий; рост зависимости отраслей экономики от современного уровня знаний; форсирование темпов научно-технического прогресса; увеличение доли и роли высококвалифицированных специалистов; тенденции динамичного развития информационно-коммуникационных технологий, глобальных коммуникаций и формирование информационного общества [4].
Результаты исследования и их обсуждение
Прежде всего, это возможности специализированного веб-сервиса, базирующегося на архитектуре и функциях «ГеоС. Объекты на карте» и используемого в работе Геоаналитического центра управления АПК республики [5]. Важным его достоинством является то, что он включает данные различных отчетов всех хозяйствующих субъектов АПК Мордовии (в первую очередь сельскохозяйственные данные согласно форме 4-сх – статистике по посевным площадям, где представлена вся имеющаяся информация по каждому из имеющихся полей), дополнительно подгружаемую разнообразную пространственную (прежде всего картографическую и дистанционную) информацию – сервисов Яндекс.Карты, OpenStreetMaps, моделей SRTM и создание на их базе цифровых моделей рельефа и др.), информационные ресурсы республиканской агрохимслужбы и др. Веб-сервис ориентирован на специалистов Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия, аграриев широкого профиля, управленческие и научные кадры. Главные решаемые с его помощью задачи в настоящее время – управление и мониторинг АПК в части оценки состояния посевов возделываемых культур и прогнозирования их урожайности.
Веб-сервис обеспечивает доступ к данным информационной системы коллективного пользования. Архитектурно включает три сервера, расположенных в DATA-центре г. Саранска. Один из них отвечает за программное обеспечение и проработку данных на платформе «1С: Предприятие», на двух других организован весь комплекс работ с базами данных, включающими статистическую и пространственную информацию по всем предварительно проанализированным «вручную» обрабатываемым 33670 полям сельскохозяйственных предприятий муниципальных районов Мордовии. Данный веб-сервис интегрирует пространственные и картографические данные и сведения различных информационных баз, ведущихся Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия, Росреестром, сервисом ВЕГА. Последний позиционируется его разработчиками как уникальный инструмент научного анализа данных спутниковых наблюдений. Это информационный сервис для профессиональной работы с архивами спутниковых данных, обновляемыми в режиме, близком к режиму реального времени, а также другой геопространственной информацией. Он обеспечивает решение широкого круга задач оценки и мониторинга возобновляемых биологических ресурсов, относящихся, прежде всего, к сфере интересов АПК, лесного хозяйства и лесной промышленности [6].
В основу электронных карт сельскохозяйственных угодий и истории полей севооборота положены экспликации агрохимслужбы республики начиная с 1990 г. и до настоящего времени. Эти материалы откорректированы по данным дистанционного зондирования, представленным космическими снимками спутников серий Landsat-7, Landsat-8 и Sentinel-2 (последние более предпочтительны, поскольку имеют пространственное разрешение до 10 м и маску облаков, позволяющую снимать «шум», вызванный наличием облачности, дымки, теней и прочими помехами), сенсора MODIS на космических аппаратах Terra и Aqua (с разрешением от 250 м до 1 км) [6, 7]. Использование космоснимков позволяет вести мониторинг каждого конкретного поля начиная с 2014 г. Периодичность обновления составляет 3 дня (снимки Sentinel-2 позволяют устанавливать фазы развития отдельных сельскохозяйственных культур), 16 дней (снимки Landsat-7 и Landsat-8 дают возможность выявлять состояние растительности и условия произрастания возделываемых сельскохозяйственных культур) и конкретных запросов по сезонам (снимки MODIS позволяют определять температуру подстилающей поверхности, физико-механические и физико-электрические параметры снежного покрова, состояние выращиваемых культур в весенний период после возобновления вегетации) [8, 9].
Инструментарий анализа спутниковых данных включает, прежде всего, классификацию геоизображений, их сегментацию, синтез и др. При этом преимуществом специализированного веб-сервиса является то, что пользователи не нуждаются в установке на свои компьютеры специального дорогостоящего программного обеспечения, необходимого для проведения полноценного анализа спутниковой информации. Таким образом, появляется реальная возможность отслеживания всех происходящих в пределах полей севооборотов изменений, включая определение разнообразных вегетационных индексов.
Наиболее важными характеристиками полей являются их идентификационные данные, общие площади, площади посева возделываемых культур, характеристики почвенного покрова, содержание в почвах макро- и микроэлементов [1] и др. – позволяющие осуществлять инвентаризацию, вести учет и контроль фактических площадей возделываемых сельскохозяйственных культур, выявлять нарушения землепользования и ухудшение качества почв [10] или использование земель сельскохозяйственного назначения с нарушениями законодательства [11] (рис. 1). При этом выявляется ряд проблем, связанных с точностью определения границ по космоснимкам, имеющим невысокое пространственное разрешение и с низкой достоверностью кадастровых данных, предоставляемых сервисом «Публичная кадастровая карта» Росреестра.
Рис. 1. Информация, получаемая из базы данных цифровой карты полей
На этой основе возможно создание электронного севооборота (рис. 2).
Рис. 2. Реализация электронного севооборота на основе базы данных цифровой карты полей
Рис. 3. Картограммы отдельных агрохимических показателей, полученные на основе базы данных цифровой карты полей
Рис. 4. Мониторинг важнейших агрометеорологических показателей на разных территориальных уровнях
Рис. 5. Отслеживание динамики роста культур на примере озимой пшеницы
Кроме того, могут быть получены разнообразные тематические электронные карты, включая картограммы отдельных агрохимических показателей [1] (рис. 3).
Важную роль играет ежедневный накопительный мониторинг важнейших агрометеорологических показателей, обеспечивающих определение оптимальных сроков осуществления агротехнических мероприятий. Это такие показатели, влияющие на продуктивность возделываемых сельскохозяйственных культур, как характеристики освещенности, температура и влажность почвы, количество выпавших атмосферных осадков, мощности снегового покрова, направление и скорость ветра, различные вегетационные индексы и др. [12]. Мониторинг агрометеорологических показателей осуществляется на разных территориальных уровнях: от отдельного поля до территории республики в целом (рис. 4).
На основе этих данных возможен анализ состояния сельскохозяйственной растительности по вегетативному индексу NDVI, а также хода текущего сезона вегетации (в том числе в сравнении с многолетними данными) (рис. 5).
И, наконец, для осуществления функций управления АПК республики представляют интерес материалы геоинформационного картографирования [1, 2, 10], визуализирующие особенности территориальной организации отраслей АПК.
Имеет веб-сервис и хорошие перспективы: точное (прецизионное) земледелие (внедрение которого в условиях республики ограничивается в первую очередь недостатком финансовых средств на приобретение и внедрение соответствующей «умной» техники), его перевод в разряд мобильных приложений для обеспечения мобильности использования, более наглядного и оперативного получения, просмотра и анализа данных непосредственно в поле, организация на основе приложения личного кабинета специалиста, справочников, отчетов, аналитики, мониторинга и др. Важную роль призваны сыграть организация и осуществление комплекса мероприятий по разработке тестового поля с целью отработки методик дифференцированного внесения удобрений, практически реализуемая на базе АО «Медаевское». На основе специализированного веб-сервиса планируется расширение сотрудничества с научными и исследовательскими организациями, их сотрудниками и аграриями-практиками с целью улучшения качества работы сервиса, совершенствования методик обработки снимков в системе регионального мониторинга для оценки состояния посевов сельхозкультур и выявления пахотных земель. Дальнейшее его существование тесно коррелирует с развитием и практической реализацией ряда перспективных инновационных концепций в связи с выходом на этап технологического развития «Сельское хозяйство 4.0» [13].
Заключение
Результаты анализа опыта применения инновационных технологий при организации и ведении сельскохозяйственного мониторинга, а также в управлении АПК могут быть использованы в первую очередь для оперативного анализа состояния разнообразных параметров каждого поля, определения качественного и количественного состава и объемов вносимых удобрений и мест их применения, агротехнических мероприятий и операций. Создание инновационно-технологического комплекса по мониторингу земель сельскохозяйственного назначения в Республике Мордовия – одном из субъектов РФ по внедрению пилотных проектов цифрового обеспечения сельского хозяйства – способствует научно-технологическому развитию управления земельными ресурсами разных территориальных уровней [1, 2, 14].
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-05-00066.