Система дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения нацелена на интеграцию накопленных архивных и вновь поступающих данных, их интерпретацию и предоставление информационных картографических продуктов, необходимых для поддержки принятия управленческих решений на федеральном и региональном уровнях

В.Н. Темников (Главный вычислительный центр Минсельхоза России)
А.В. Столпаков (Главный вычислительный центр Минсельхоза России)

Окончание. Начало в № 1 за 2009 г

В.Н. Темников

А.В. Столпаков

Для наглядной демонстрации использования пространственных данных в отрасли кратко рассмотрим общую схему СДМЗ, представляющую в обобщенном виде взаимодействие компонентов системы, ее информационных потоков и данных, участвующих во взаимодействии (рис. 1).

Центральное место в СДМЗ занимает федеральная ГИС, построенная на основе инструментальных программных средств ESRI, Inc. по иерархическому принципу — от федерального уровня до уровня субъекта РФ (с принципиальной возможностью доступа на районный уровень и уровень сельхозпредприятия). Конечно, на федеральном уровне нет необходимости работать с данными более низких уровней, чем региональная информация, но такая возможность принципиально заложена в структуре ГИС. Федеральная ГИС, как видно из рис. 1, оперирует данными из хранилища пространственных данных, которое с некоторой долей условности делится на блоки стационарной и оперативной информации, что необходимо для повышения эффективности работы технических средств. В блоке стационарной информации находятся данные, не изменяющиеся в течение некоторого времени, например, слои цифровых моделей местности на территории субъектов РФ, тематические карты сельскохозяйственного назначения на территорию всей страны, архивные данные дистанционного зондирования, статистические данные, параметры фитосанитарного и ветеринарного состояния регионов РФ, агроклиматические показатели и т. п. Информация этого блока может быть продуктом работы самой СДМЗ или поступать из внешних источников с обязательным прохождением этапа географической привязки (если таковая отсутствует) по определенным правилам, зависящим от типа данных.

Рис. 1. Общая схема Системы дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения

В блок оперативной информации поступают, главным образом, данные из системы оперативного спутникового мониторинга — в настоящее время основного компонента, реализующего дистанционное зондирование земель. Этот компонент разработан и поддерживается Институтом космических исследований РАН. Данные спутникового мониторинга делятся на две составляющие — ежедневные (от одного до трех в сутки) изображения облачности, снежного покрова, вегетационных индексов и др., получаемые со спутников NOAA и Terra (США) с разрешением 1000 и 250 м, и композитные изображения, сформированные после обработки первичных продуктов (двухнедельные и недельные композитные изображения вегетационных индексов). Спутниковые данные также поступают на сайт оперативного спутникового мониторинга, информация которого доступна любому желающему по адресу www.agrocosmos.gvc.ru. На сайте можно найти разнообразные сведения, организованные по территориальному и тематическому принципам, сравнительные данные по годам, аналитические графики, построенные по результатам обработки данных и т. д. Описать все содержание сайта в рамках одной статьи невозможно. На рис. 2 представлен пример композитной спутниковой сцены нормализованного вегетационного индекса (NDVI) на территорию Ульяновской области. Разница между информацией на сайте и FTP-сервере заключается в том, что сайт предоставляет изображения в виде «картинок», которые можно просмотреть и, при желании, скачать, но они не имеют привязки к картам. Данные на FTP-сервере доступны авторизованному пользователю, имеют географическую привязку и могут использоваться для совмещения с любыми пространственными данными пользователя (параметры проекций пространственных данных закреплены для каждого региона РФ).

Рис. 2. Пример композитной спутниковой сцены

В хранилище пространственных данных также поступают информация по фитосанитарной и ветеринарной обстановке на территории РФ, агроклиматическим параметрам; статистические данные по различным показателям сельскохозяйственного производства; данные о почвах и результатах наземных наблюдений, а также любые сведения, которые имеют отношение к сельскохозяйственной тематике (например, ценовая и экономическая информация). Вся поступающая информация в зависимости от состава проходит определенную обработку (от ручной до автоматической программной) для приведения к виду, пригодному для использования в ГИС. С этой целью разработан набор спецификаций информационных продуктов, которые детально описывают структуры и форматы используемых данных. Данные распределяются по блокам стационарной или оперативной информации. Например, архивная статистическая информация по годам после приведения к единому виду представления помещается в раздел стационарной информации и может быть доступна как исторический материал для анализа и сравнения с использованием картографической основы. Статистическая информация, поступающая в течение весенних и осенних полевых работ, по существу является оперативной и, привязанная к картографическим материалам, может наглядно показывать ход сева и уборки сельскохозяйственных культур. Собственно говоря, почти любая поступающая в хранилище информация может использоваться в качестве оперативной и служить для формирования оперативных информационных продуктов, в том числе, если говорить о спутниковой информации, двухнедельные и недельные композиты вегетационного индекса (рис. 2). Поступая в долговременное хранилище, информация используется в качестве исходной для получения аналитических продуктов. Например, на основе архивных данных композитов вегетационного индекса за несколько лет строятся кривые хода вегетационного индекса за текущий год и проводится их сравнение с кривыми хода за предыдущие годы, что позволяет прогнозировать развитие сельскохозяйственных культур, используя метод года-аналога. Результаты такого сравнения по каждому из субъектов РФ, обработанные компонентом спутникового мониторинга, можно видеть на сайте (рис. 3). Таким же образом обстоит дело с данными по фитосанитарной и ветеринарной обстановке на территории РФ, с агроклиматическими параметрами.

Рис. 3. График хода вегетационного индекса за 2006 г. и сравнение его с 2005 г. по пахотным и непахотным землям

Стоит заметить, что число блоков, показанных слева на рис. 1, не ограничено — любая информация, имеющая в каком-либо виде пространственную привязку или возможность ее осуществления, может быть использована в системе.

Информация, обработанная отраслевой ГИС, поступает на аналитический уровень, где создаются информационные продукты для конечного пользователя федерального уровня (карты, схемы, графики, презентационные материалы и отчеты).

Региональные ГИС, организация которых происходит на базе региональных министерств сельского хозяйства, строятся по тем же принципам, что и федеральная ГИС. Отличия заключаются в использовании разных линеек программных средств и подборе информационных продуктов, необходимых для функционирования региональных центров. Информация федеральной ГИС в виде картографических материалов и вторичных продуктов обработки доступна региональным клиентам через FTP-сервисы. В свою очередь федеральная ГИС через те же сервисы получает от региональных центров информацию, которую можно сформировать только на региональном уровне.

Состав базовых пространственных данных и инструментальные средства ГИС различных уровней Федеральный уровень
Состав данных:
— векторные цифровые модели местности в масштабе 1:1 000 000 на территории субъектов РФ;
— модель рельефа с разрешением 1 км;
— материалы космической съемки с разрешением 1 км;
— карта земельных угодий масштаба 1:4 000 000 (рис. 4);

Рис. 4. Карта земельных угодий РФ масштаба 1:4 000 000 на территории пашни

— ландшафтная карта масштаба 1:2 500 000 и база данных к ней (рис. 5);

Рис. 5. Ландшафтная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни

— карта растительности масштаба 1:4 000 000;
— почвенная карта масштаба 1:2 500 000 и база данных к ней с разделением по почвенным слоям и горизонтам — данные агрохимии и физических параметров (рис. 6). В настоящее время проводится замена этой карты на почвенную карту масштаба 1:1 000 000 (рис. 7);

Рис. 6. Почвенная карта РФ масштаба 1:2 500 000 на территории пашни

— карта административного деления до уровня субъекта РФ;
— двухнедельные и недельные композитные изображения спутникового мониторинга на сельскохозяйственную зону РФ;
— статистические, климатические, фитосанитарные данные по субъектам РФ.

Рис. 7. Почвенная карта южной и центральной территорий РФ масштаба 1:1 000 000

Базовое ПО. В качестве базового ПО ГИС используются продукты семейства ArcGIS. Оптимальным по функциональности клиентским программным пакетом является
ArcView версии 8 и выше, для более простых задач могут использоваться и ранние версии. Для обработки растровых данных и космических снимков применяется программный продукт ERDAS IMAGINE (ERDAS, Inc., США).

Форматы данных. Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО:
— для картографических данных — персональная база геоданных ESRI, Inc. в среде Microsoft Access, покрытия и SHP-файлы ESRI, Inc.;
— для снимков, растровых карт и регулярных сетей — TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE;
— для табличных данных — Microsoft Access и dBase;
— для документов — файловая структура и продукты Microsoft Office.

Автономное рабочее место. Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Основная масса данных федерального центра СДМЗ размещается на сервере пространственных данных. В дополнение к ним может использоваться информация, предоставляемая региональными центрами СДМЗ.

Сервер пространственных данных:
— для картографических данных — база геоданных ESRI, Inc. под управлением ArcSDE в среде Microsoft SQL Server или Oracle;
— для снимков, растровых карт и регулярных сетей — база геоданных и файловое хранение в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE;
— для табличных данных — Microsoft SQL Server;
— для документов — файловая структура и Microsoft SQL Server.

Региональный уровень
Состав данных:
— векторные цифровые модели местности в масштабах 1:200 000 и 1:100 000 на территории субъектов РФ;
— модель рельефа с разрешением 90 м;
— материалы космической съемки с разрешением 60 м;
— карта административного деления до уровня района;
— карта почвообразующих пород масштаба 1:300 000 (рис. 8, 9);

Рис. 8. Региональная почвенная карта масштаба 1:300 000 на территорию Ростовской области

— почвенная карта масштаба 1:300 000 и база данных с разделением по сельскохозяйственным зонам и горизонтам (данные агрохимии и физических параметров);
— карты распределения ветровой и водной эрозии масштаба 1:300 000;
— двухнедельные и недельные композитные изображения спутникового мониторинга на территорию субъекта;
— контуры крупных сельскохозяйственных объектов;
— статистические, климатические, фитосанитарные данные по районам.

Рис. 9. Фрагмент региональной почвенной карты масштаба 1:300 000 на территорию Азовского района Ростовской области

Базовое ПО. В качестве базового ПО ГИС используются продукты семейства ArcGIS. В случае малой активности регионального центра может применяться более простой продукт — ArcView. Там, где уже используются ГИС-продукты предыдущего поколения
(ArcInfo, ArcView) или других компаний, целесообразно за-
планировать переход на линейку продуктов ArcGIS, что позволит обеспечить технологическое единство СДМЗ, сократить издержки на конвертирование данных, упростить подготовку кадров, гарантировать масштабируемость программно-информационного обеспечения региональных центров.

Форматы данных. Рабочие форматы данных определяются применяемыми средствами базового ПО:
— для картографических данных — персональная база геоданных ESRI, Inc. в среде Microsoft Access, покрытия и SHP-файлы ESRI, Inc.;
— для снимков, растровых карт и регулярных сетей — TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE;
— для табличных данных — Microsoft Access и dBase;
— для документов — файловая структура и продукты Microsoft Office.

Автономное рабочее место. Для автономного рабочего места используются ресурсы компьютера, на котором работает специалист. Если в региональном центре СДМЗ устанавливается сервер для обслуживания группы специалистов, то основная масса данных размещается на нем. В любом случае, специалисты регионального центра могут пользоваться информацией, предоставляемой федеральным центром СДМЗ.

Сервер пространственных данных:
— для картографических данных — база геоданных ESRI, Inc. под управлением ArcSDE в среде Microsoft SQL Server;
— для снимков, растровых карт и регулярных сетей — база геоданных и файловое хранение в форматах TIFF, GeoTIFF, ERDAS IMAGINE;
— для табличных данных — Microsoft SQL Server;
— для документов — файловая структура и Microsoft SQL Server.

Заключение
В настоящее время продолжается осуществление ряда мероприятий, направленных на получение и обработку данных сельскохозяйственного назначения, адаптацию и создание программных продуктов для обработки первичных данных, расширение возможностей оперативного спутникового мониторинга и подготовку различных цифровых картографических продуктов и метаданных и т. д., что фактически соответствует последовательному построению компонентов СДМЗ. Все работы проводятся в рамках общей структурно-информационной и технологической модели (рис. 1) и являются разработками частей ее компонентов.