Разработка ГИС системы для оценки агрохимического состояния сельскохозяйственных земель

Внутрихозяйственный план, на котором имеется нумерации  контуров, была использована в целях  идентификации контуров с землеустроительного  плана, и в ГИС не вошел.

После подготовки всех материалов была осуществлена регистрация изображений. Привязка плана происходила по характерным  местам, координаты которых снимались  с космоснимка. Всего, для более  точного отображения, было использовано порядка 30 точек привязки. Землеустроительный план оказался не идеальным, поэтому  была применена опция «Оптимизация растрового изображения», в результате наложение прошло гладко, без видимых  изъянов.

Векторизация  проводилась в ручном режиме, с  масштабом порядка 1:5000.  Было создано 4 векторных слоя:

1) Векторный слой – «Граница  хозяйства». Он бал трассирован  по землеустроительному плану  и для рационализации работы  выполнен в первую очередь,  для того, чтобы все остальные  объекты обрисовывались уже внутри  хозяйства, не выполняя лишней  работы по векторизации объектов  вне хозяйства. 

Векторизация  проводилась инструментом «полигон», в качестве стиля выбрана двойная  линия красного цвета шириной в 2 пикселя с белой заливкой между линиями.

2) Векторный слой – «Гидрология». Были трассированы река Онега  и мелкие реки, ручьи, ключи  и озера. Обрисовка реки Онеги  и озер проводилась с помощью  инструмента «полигон», рек –  «полилиния», а ключей с помощью точечных знаков. Все созданные объекты, кроме точечных, были объединены в единую группу, и к ней применен единый стиль, с синей заливкой и границей в виде простой линии шириной в 1 пиксель. В ходе выполнения этой работы возникла трудность: создание островов в реке. Однако программа MapInfo имеет ряд простых способов, позволяющих создать так называемый «Полигон с дыркой».

2) Векторный слой  - «город Каргополь», все хозяйственные постройки,  а также городские дороги и  междугородние трассы. Для визуализации  применялись множество различных  стилей.

Городские дороги – простые линии оранжевого цвета, междугородние дороги – двойные  оранжевые лини с белой заливкой, жилые массивы и хозяйственные  постройки – полигоны с простым черным контуром и своеобразной заливкой в оранжевых тонах. 

На  первый взгляд может показаться, что  данный слой совершенно бесполезен для  сельскохозяйственной карты хозяйства, однако это заметно оживляет карту, добавляет наглядности, предоставляет  большие возможности планирования, например, доставки удобрений по указанным  дорогам, а также позволяет проанализировать некоторые данные, зависящие от близости расположения жилых районов.

4) Векторный слой – «Элементарные участки». Местоположение полей указано во внутрихозяйственном плане, а обрисовка проводилась по землеустроительному плану. Для векторизации использовался инструмент «полигон». Операция проводилась с большой точностью, для соответствия действительности (по площадям). Всего было обрисовано 246 контуров, 214 (5752га) из которых – пашня, 2 (18,4га) – сенокосы и 30 (697,3га) – пастбища. Общая площадь полей 6 480га, средняя площадь участка – 26,3га. Данные о типе угодья содержатся в таблице атрибутивных данных и могут быть использованы в виде подписей на карте.

Для визуализации была выбрана прозрачная заливка, и контур в виде точек  шириной в 1 пиксель черного цвета.

Подпись сделана сложным, комбинированным  способом. По правилам картографии, необходимо подписать каждый контур дробью, в  числителе которой указывается  порядковый номер, а в знаменателе  его площадь. Это было реализовано  с помощью функции «Подпись выражением», в поле которого была составлена формула  на языке SQL. Для подписи использовался стандартный шрифт Times New Roman 9го кегля черного цвета на светло-желтом фоне. Подписи показываются не всегда, а лишь в том случае, если масштаб карты больше чем 1:5000.

Порядок векторных слоев организовывался  так, чтобы поверх всех слоев была всегда граница хозяйства, затем  гидрология, дороги и город Каргополь  и самый нижний слой – контура.

После завершения работы с векторами началась работа с данными.

Все данные предоставлены САС «Архангельская». Обследования проводились в 1997 и 2003 годах, и результаты анализов заносились в «Очерк о результатах агрохимического  обследования сельскохозяйственных земель».

Базу  данных было решено оформить в программе  Microsoft Excel, так это одна из самых удобных редакторов.

Для ГИС были использованы следующие  показатели с соответствующими им типами данных: Механический состав (Вещественное), по Качинсокму; РН (Десятичное 3,1); Содержание фосфора (Целое),  мг/кг почвы; Содержание калия (Целое),  мг/кг почвы; СНО (Десятичное 4,1), %; ЕКО (десятичное 5,2), мг-эвк/100г почвы; Сумма обменных оснований (Десятичное 5,2), мг-эвк/100г почвы; Гидролитическая  кислотность (4,2), мг-эвк/100г почвы; Индексы  почв (Вещественное); Содержание органического  вещества (Десятичное 3,2), %

После регистрации файла в MapInfo было произведено слияние таблицы векторных объектов контуров и данных обследования. Операция осуществлялась с помощью языка SQL по столбцу уникальных данных, которыми являются номера контуров.

Следующий этап – это тематическая картография. Созданы тематические картограммы  для всех данных.

Для механического состава использовалась тема «Отдельные значения». Для каждого  типа механического состава присваивалась  своя штриховка с прозрачным фоном. Это сделано для того, чтобы  можно было одновременно видеть и  механический состав, и картограмму  по любому показателю, например, гумусу, находящуюся под ним.

Картограммы РН (Приложение А) и суммы обменных оснований (Приложение Б) выполнены с применением метода тематической картографии – «Диапазоны». Для Рн диапазоны были выбраны методом квантилей, так как именно он наиболее полно отражает данные на карте. Для фосфора использовалась шкала рекомендованная ЦИНАО. Такой же способ построения тематики был использован для составления картограмм для всех остальных показателей, кроме индекса почв, где использовался метод «Отдельные значения».

К дополнительным возможностям ГИС-системы относится построение специальных картограмм.

  Так, для РН была создана   картограмма поверхности – то  есть почвенного покрова, без  учета границ участков землепользования. Путем интерполяции данных программа  закрасила всю территорию хозяйства  определенным цветом, соответствующим шкале кислотности. При этом нет никаких диапазонов, а значения непрерывны. Цвета распределяются от красного – кислые почвы, до синего – нейтральные.

Также сделана тематическая картограмма  по динамике показателей с использованием столбчатых диаграмм. Для примера, переменными  выступили содержание фосфора (мг/кг почвы) в 1997 и 2003 году. Такая тема позволяет  анализировать данные в динамике. Два столбца разных цветов, находятся  рядом друг с другом, поэтому очень  наглядно видно динамическое изменение  показателя.

Для сохранения проекта была использована утилита «Упаковщик рабочих наборов», которая создала в отдельной  папке все файлы, необходимые  для ГИС. Это важно, если ГИС создается  в целях продажи, для передачи её заказчику.

 

4.3 Анализ 

 

Разработанная мной геоинформационная система  для хозяйства ООО «Каргополье» является лишь основой для проведения анализа. Чем более полной она будет, тем более качественный и достоверный анализ возможно провести. Разумеется, что на производстве требуются именно результаты исследований, которые можно было бы применить для ведения хозяйства. 

Существует  огромное количество различных видов  анализа, преследующие кардинально  разные цели. Это может быть, например, простая  визуализация, для лучшего  восприятия географического распределения  данных, статистика, для оценки показателей, или более сложные виды математического, статистического и геостатистического анализов.   

Исследования  проводились в пакете программ ArcGIS Desktop 10 от компании ESRI. Все операции над данными там организованы в виде отдельных модулей, предназначенных  для выполнения определенных задач.

Помимо простейших модулей, таких как «выборка» (выборка по атрибуту, выборка по расположению) и «статистика» (количество, минимум, максимум, сумма, среднее, среднее квадратичное отклонение) в программе присутствует набор сложных модулей организованных в специальном хранилище Arc Toolbox.

Инструменты анализа, количество которых более 600, способны решить любую поставленную задачу любой отрасли. Естественно, что определенные модули ориентированы  на определенные научные направления. Вопросы сельского хозяйства  настолько многочисленны, что для  их решения используются практически  все возможности ГИС систем. Однако к наиболее важным можно отнести  модули пространственного, 3D и геостатистического анализа. В некоторых случаях анализа сетей, и для увеличения точности – геодезического анализа.

Модули:

• Анализ (Analysis Tools) – инструменты простого анализа позволяющие определить близость объектов, извлечь и наложить данные, вычислить суммарную статистику и частоту.
• Геокодирование (Geocoding Tools) – осуществляет процесс назначения географических идентификаторов объектам карты и записям данных.
• 3D Анализ (3D Analyst Tools) – набор инструментов для анализа в трех измерениях, позволяет создавать 3х мерные поверхности, а также анализировать их.
• Геостатистический анализ (Geostatistical Analyst Tools) – модуль, предназначенный для проведения геостатистического анализа, а также для построения непрерывных поверхностей с помощью различных методов интерполяции.
• Картография (Cartography Tools) – инструменты создания карт.
• Анализ сетей (Network Analyst Tools) – набор инструментов для анализа моделей геометрических сетей. Позволяет находить наикратчайшие пути, время прохождения маршрута, зоны доступности по имеющейся геометрической сети. 
• Пространственный анализ (Spatial Analyst Tools) – набор инструментов для анализа пространственных данных в 2х измерениях
• Конвертация (Conversion Tools) – инструменты конвертации.
• Survey Analyst – приложение, позволяющее осуществлять хранение данных, полученных из полевых журналов геодезических съемок и осуществлять работу с ними, увеличивать точность нанесения пространственных объектов на карту, организовывать геодезические данные в проектах,
• Пространственная статистика (Spatial Statistics Tools) – позволяет провести анализ структурных закономерностей и моделирование пространственных взаимоотношений.
• Управление данными (Data Management Tools) – широкий набор инструментов, позволяющий проводить самые разные вспомогательные операции над данными.

 

4.3.1 Выборки, запросы и статистика

 

Операция  «выборка» основана на формировании определенной формулы с помощью  языка SQL, в которой указываются  все необходимые условия выборки. SQL — «язык структурированных запросов» — универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных. SQL является, прежде всего, информационно-логическим языком, предназначенным для описания, изменения и извлечения данных, хранимых в реляционных базах данных. Язык SQL представляет собой совокупность операторов; инструкций; и вычисляемых функций. Например, необходимо выбрать контура, которые имеют значения РН более 5,5 и менее или равно 6,0; с содержанием фосфора менее 150 мг/кг почвы и легко суглинистым механическим составом почвы. Формула SQL запроса будет выглядеть так:

"PH" > 5.5 AND "PH" <= 6 AND "P2O5" < 150 AND "Мех_Состав" = 'легк. суглинок'

Выполнение  запроса показало, что таких полей 12 (из 246), а операция «статистика», что  их суммарная площадь равняется 193га, со средней площадью поля равной 16,1га, минимальной равной 3,9га и максимальной равной 33,5га. Дополнительно можно узнать статистические данные для других показателей. Так, например, среднее содержание Калия, на этих контурах составляет 142,6 мг/кг почвы, с колебаниями от 110 мг/кг почвы до 183 мг/кг почвы.

Для упрощения работы, в программе ArcGIS имеется встроенная программа ModelBuilder, которая позволяет создать модель (схему) по которой будут выполняться  все операции в соответствии с  установленной последовательностью. Например, создать несколько выборок  по атрибуту, соединить их в одной  сформированной таблице и подсчитать статистику необходимых столбцов можно будет выполнить нажатием всего лишь одной кнопки «Запуск модели».

Следует также отметить, что выбрать можно  не только числовые данные, но и географические, например, с таким условием, чтобы  один объект пересекал другой (полностью или частично), примыкал к нему, или же находился на определенном расстоянии от него.

Такой вид анализа достаточно прост  и широко известен. Может применяется при агрохимической группировке почв, а также статистическом анализе данных. ГИС программы значительно упрощают эту работу, и экономят время агронома.

 

4.3.2 Геостатистический анализ

 

Геостатистический анализ можно разделить на две  части, первая часть это анализ с  помощью специальных геаостатистических инструментов, так называемый анализ ESDA, вторая – построение, различными методами интерполяции, двухмерных регулярных поверхностей. Этому направлению гестатистики уделяется огромное внимание инженеров всех отраслей и разработчиков ГИС программ, так как является одним из важнейших инструментов в анализе любых видов данных.

Исследовательский анализ пространственных данных (ESDA) позволяет  исследовать данные различными методами. Перед построением поверхности, он помогает глубже понять изучаемое  явление с тем, чтобы  можно  было принимать более обоснованные решения при работе с данными. Каждый новый вид данных может  быть обработан и изучен, и инструменты ESDA помогают по-разному взглянуть  на одни и те же данные. Изучение распределения данных, определение глобальных и локальных выпадающих (экстремальных) значений, поиск глобальных трендов, изучение пространственной автокорреляции и понимание ковариации между несколькими наборами данных, все это задачи, выполнение которых полезно для понимания структуры данных.