Геоинформационные системы земледелия – практика повышения эффективности аграрного производства.

Проведение агроэкологической оценки на бумажных картах (на кафедре почвоведения РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева до 2003 года) в качестве научных работ представляло собой весьма долгий и затратный процесс, что сдерживало развитие и распространение адаптивно-ландшафтных систем земледелия. С появлением ГИС-технологий начался новый этап в проектировании систем земледелия.
Применение ГИС для агроэкологической оценки земель позволяет перевести на новую качественную основу решение этой сложной проблемы, особенно при проектировании интенсивных систем земледелия и агротехнологий, не говоря уже о высоких агротехнологиях и адаптивно-ландшафтных системах земледелия высокой точности. Создание землеоценочной основы для точных систем земледелия практически невозможно без ГИС-технологий.
Важнейшие достоинства ГИС:
 легкость обработки больших объемов информации. (ГИС представляет широкие возможности по комбинации, сортировке, выборке данных; легко рассчитываются площади и параметры контуров);
 большая наглядность представления информации, достигаемая созданием большого числа тематических карт;
 возможность автоматизации процесса создания карт;
 легкость внесения изменений, возможность создания систем автоматического внесения изменений в базу данных;
 возможность широкого использования информации, поступающей от средств дистанционного зондирования Земли (авиационных и космических);
 большая точность карт, особенно при использовании систем глобального позиционирования (GPS);
 возможность создания диалоговых справочно-консультативных систем;
 удобство хранения, копирования, воспроизводства информации на любых носителях, более высокая надежность хранения информации.
Электронная карта полей дает информацию о точной площади полей любой конфигурации, может отражать протяженность дорог и их качество, показывает расположение объектов в пространстве и позволяет при необходимости осуществлять навигацию на любую указанную точку по любой заданной траектории.
Существует два основных способа создания электронных карт полей, различающихся по способу нанесения границ полей: 1) векторизация границ полей по космоснимку высокого разрешения; 2) объезд (обход) границ полей с использованием GPS оборудования и специального программного обеспечения; 3) векторизация границ по существующим бумажным картам планов внутрихозяйственного землеустройства. В последнем случае необходимо учесть, что помимо традиционно низкого качества получаемых при сканировании растров ошибки нанесения границ будут увеличиваться из-за различия в используемых системах координат. Возможна комбинация всех этих способов.
Далее создается электронная геоморфологическая карта. Существует несколько вариантов ее создания: оцифровка топографической основы с получением трехмерной цифровой карты рельефа либо оцифровка предварительно изготовленной вручную на бумажной топографической основе карты форм и элементов рельефа. Первый вариант более точен и нагляден, и открывает широкие возможности по автоматическому проектированию, однако, зачастую он более трудоемок. Второй вариант менее точен, но значительно проще в исполнении. Оцифровка бумажного оригинала может осуществляться также двумя способами - либо ручной отрисовкой контуров на зарегистрированной топографической основе или зарегистрированной отсканированной карте, либо автоматически с применением векторизаторов, оцифровывающих отсканированную с кальки сетку контуров.
Основная информация формируется в процессе почвенно-ландшафтного картографирования земель, выполняемого по материалам аэрофотосъемки, топографическим картам и данным специальных полевых и лабораторных исследований. Результаты изысканий представляются послойно в виде электронных карт форм и элементов мезорельефа, крутизны склонов, их экспозиции, микрорельефа, почвообразующих пород, гидрогеологических условий, эрозии почв, структур почвенного покрова и др. Каждая электронная карта имеет базу данных, содержащую соответствующую тематике карты информацию по каждому контуру. Например, база данных электронной карты микроструктур почвенного покрова может содержать следующую информацию: номер контура; индекс почвенной комбинации; полное название почвенной комбинации; соотношение почв в СПП, степень сложности и контрастности, положение в геохимическом ландшафте, геохимические барьеры, агроэкологические параметры почв.
Все электронные карты имеют единую систему координат, привязанную к отсканированной топографической основе масштаба 1:10000.
Количество электронных тематических карт-слоев зависит от сложно¬сти ландшафтно-экологических условий и уровня интенсификации производ¬ства.
Путем взаимного наложения тематических электронных карт-слоев формируется комплексная карта агроэкологических групп и видов земель, то есть элементарных ареалов агроландшафта (ЭАА), каждый из которых снабжается банком данных агроэкологической оценки (теплообеспеченность, влагообеспеченность, показатели рельефа, почвенного покрова, почв и т.д.).
Сначала выделяют группы земель по условиям рельефа, накладывая на почвенную карту карту распределения склонов по уклонам; затем накладывают карты переувлажненных и солонцовых земель, выделяя группы по степени переувлажнения и степени развития солонцового процесса. Аналогично могут выделяться группы засоленных, литогенных и других земель. Далее, используя карты эродированных, переувлажненных, солонцеватых земель, карты распределения склонов по формам и экспозициям, карту развития форм микрорельефа, внутри агроэкологической группы выделяют виды земель. К карте агроэкологических групп и видов земель привязывается база данных. Эта карта сопровождается пояснительной запиской, в которой помимо разъяснительных комментариев, дается анализ современного использования земель и экологических последствий. При этом особое внимание уделяется идентификации очагов деградации: оврагообразования, дегрессии пастбищ, различных проявлений вторичного гидроморфизма и засоления почв, оползней, карстов, селей, загрязнения токсичными веществами, отходами произ¬водства и быта, промышленного нарушения почвенного покрова и т.д. Дается оценка состояния гидрографической сети, хозяйственных водоемов, заиления рек и озер, загрязнения поверхностных и грунтовых вод, характеристика поверхностного и грунтового стока.
Карта агроэкологических групп и видов земель с базой данных и пояс¬нительной запиской является основным заключительным документом изыскательских работ при проектировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия. В ней содержится вся необходимая информация для принятия проектных решений по размещению сельскохозяйственных культур, дифференциации технологий их возделывания при различных уровнях интенсификации производства, оптимальной организации территории с учетом ландшафтных связей, то есть формирования систем земледелия.
Путем объединения ЭАА близких по условиям возделывания сельскохозяйственных культур формируется электронная карта агроэкологических типов земель. При этом идентифицируются ландшафтные связи, которые учитываются при организации территории. В пределах контуров агроэкологических типов земель проектируются поля севооборотов и производственные участки. Они характеризуются банками агроэкологических показателей, которые в дальнейшем пополняются сведениями об их использовании, урожайности и т.п. по схеме истории полей.
В рамках производственных участков планируется отбор почвенных проб на агрохимические анализы. Для отбора проб в практике появились две новые стратегии: сетка и зоны. Метод сетки использует систематический подход, который делит исследуемую область (поле) на квадраты или прямоугольники равного размера (1,5,10 и т.д. га.). Данный метод требует большого количества проб.
Отбор по зонам, использует более субъективный подход. Образцы почвы, отбираются внутри каждой зоны так, чтобы обеспечить среднюю типовую ценность для каждой единицы. Этот подход предполагает, что изменчивость почв в пределах поля может быть легко идентифицирована. Например, почвы с различным содержанием органического вопроса можно отличить по цвету и, поэтому, взять образцы отдельно.
Согласно данным OSU AED Economics в 2001 году в США 71 % фермеров использовали новые методики отбора с использованием GPS-технологий. Отбор проб по зонам проводили 32 % опрошенных. Размер ячейки отбора проб при отборе по сетке составлял 2,27 акра, с колебаниями от 1 до 5. При использовании отбора по зонам средний размер ячейки составлял 14,81 акра с колебаниями от 2,3 до 60.
По полученным результатам агрохимического анализа почвенных проб составляются карты распределения питательных веществ, для которых по общепринятым методикам рассчитываются нормы внесения удобрений на каждый конкретный участок под определенную культуру и планируемую урожайность. Карта-задание для внесения удобрений в зависимости от используемого программного обеспечения может составляться в формате используемой программы, либо в более доступном варианте в виде шейп-файла. И в первом и во втором случае данные с электронного носителя поступают на контроллер, который регулирует дозу внесения твердых или жидких агрохимикатов.
Для экономии применяемых средств и точного их внесения при управлении продукционным процессом культур все чаще применяют автоматическое рулевое управление, позволяющее осуществлять параллельное вождение по траектории любой сложности согласно составленным картам с точностью до 5-10 см.
Применение ГИС-технологий в адаптивно-ландшафтных системах земледелия в комплексе и даже в виде отдельных элементов (параллельное вождение по заданной траектории) позволяет повышать урожайность и качество продукции, оптимизировать внесение удобрений, средств защиты растений, операции по уборке урожая, а также более эффективно организовать использование оборудования и сохранять историю применяемых методов и полученных результатов.
ГИС-технологии открывают перед производителями новые возможности повышения практической производительности, экологичности и прибыльности сельского хозяйства.

Слива И.В.,
Трубников А.В.
ООО «Агрокультура»