Региональный уровень агроэкологической оценки земель

На региональном уровне агроэкологической оценки земель решаются следующие научно-методические и геоинформационные задачи:

1) разработка, верификация и поэтапная детализация региональных систем агроэкологической систематизации земель – на основе уточненного природно-сельскохозяйственного (агроэкологического) районирования территории субъектов Российской Федерации;

2) составление региональных регистров паспортизированных и пространственно координированных (с указанием основных ареалов распространения) агроэкологических групп и видов земель;

3) создание среднемасштабных (1:100 000 или 200 000) электронных карт и картосхем агроэкологической группировки земель региона;

4) формирование региональных баз данных основных диагностических параметров оценки (ОДПО) агроэкологического состояния земель;

5) создание региональных электронных атласов агроэкологического состояния земель – структурированных по основным лимитирующим факторам адаптивно-ландшафтного земледелия;

6) формирование региональных систем районированных нормативов агроэкологической оценки земель для задач адаптивно-ландшафтного земледелия и районирования агротехнологий;

7) разработка и адаптация к условиям и задачам региона специализированного программного обеспечения для решения типовых задач агроэкологической оценки, прогнозирования и моделирования функционального качества и экологического состояния основных агроэкологических групп и видов земель в наиболее распространенных условиях землепользования.

Вся доступная землеоценочная информация поэтапно интегрируется в единую региональную агрогеоинформационную систему агроэкологической оценки земель (РАГИС АЗ). Ее геоинформационную основу составляют сопряженные с соответствующими базами данных тематические пакеты следующих электронных карт и картосхем:

а) базовых топографических слоев (изолиний рельефа, водотоков, дорожной, жилищной и производственной инфраструктуры – отражаемой в масштабе 1:100 000 или 1:200 000);

б) базового землеустройства с выделением основных категорий законодательно закрепленного землепользования и крупных землепользователей – с площадью землепользования более 1000 га;

в) преобладающих типов мезорельефа и видов микрорельефа – с количественным (полуколичественным) ранжированием их показателей по влиянию на агроэкологическое качество земель и указанием ареалов распространения проблемных геоморфологических ситуаций (оползни, мочары …);

г) почвообразующих пород – с указанием ареалов преобладания основных типов почвообразующих пород, глубины залегания подстилающих пород и процентного участия неплодородных почвообразующих пород, оказывающих серьезное влияние на агроэкологическое качество почв и земель;

д) агроклимата – с районированием территории по среднемноголетнему количеству осадков, сумме активных температур, длительности вегетационного периода основных выращиваемых культур, агроклиматическим рискам растениеводства и степени неоднородности микроклимата;

е) структуры почвенного покрова – с выделением основных мезо- и микрокомбинаций почвенного покрова и указанием преобладающих соотношений между их компонентами;

ж) основных ресурсных факторов агроэкологического состояния почв в условиях данного региона – включая среднемноголетние запасы продуктивной влаги, текущее содержание и запасы гумуса и доступных форм питательных макро- и микроэлементов, районирование территории по основным почвенно-гидрофизическим и почвенно-агрохимическим группам земель;

з) лимитирующих факторов агроэкологического состояния земель в условиях данного региона – включая эрозию, агрофизическую и агрохимическую деградацию почв, проблемы фитосанитарного состояния земель, основные виды загрязнения и техногенной деградации земель, риски сезонного иссушения, вымокания посевов, переуплотнения и т.п.

Подобные региональные агрогеоинформационные системы агроэкологической оценки земель являются основой для разработки и функционирования специализированных РАГИС по формированию адаптивно-ландшафт­ных систем земледелия.

Формирование РАГИС АЗ опирается на уже существующие или параллельно создаваемые тематические геоинформационные и информационно-справочные системы (ГИС, ИСС) с районированными нормативами агроэкологической оценки, агрохимической и агрофизической характеристикой почв, агроэкологическими требованиями характерных для региона сельскохозяйственных культур и агротехнологий. В настоящее время накоплен значительный опыт формирования подобных геоинформационных, информационно-справочных и аналитических систем для условий целого ряда крупных сельскохозяйственных регионов России.

Основные задачи РАГИС АЗ определяются рассмотренными выше принципами построения агроэкологической оценки земель, предложенным набором основных диагностических параметров оценки (ОДПО), базовыми критериями, шкалами и алгоритмами частной и функционально-факторной агроэкологической оценки (по каждому из включенных в систему ОДПО и обобщающих функциональных факторов оценки – ОФФО), принятыми в системе правилами фильтрации, обобщения и интерпретации информации, заданным уровнем жесткости-гибкости структурирования и описания анализируемых объектов, решаемых аналитических и экспертных задач, степенью подготовленности и правами доступа к базовым элементам системы повседневно работающих с ней специалистов и их требованиями к сервисным возможностям, наглядности работы и получаемых результатов.

В соответствии с заданными ( в п. 2.1 данного Руководства) требованиями количественной идентификации, сопоставления, агроэкологического анализа и интерпретации агрономически наиболее значимых параметров произвольно выбираемых участков и групп участков земель (в соответствии с агроэкологическими требованиями основных сельскохозяйственныхкультур и агротехнологий) в созданных для решения конкретных оценочных задач и/или настроенных на условия конкретного региона РАГИС АЗ последовательно решаются следующие основные задачи:

1) Однозначная идентификация объекта анализа в принятой в данной РАГИС АЗ системе адресной и функционально-аналитической координации;

2) Ввод (вручную или из готовой базы данных) исходной информации;

3) Последовательное решение выбранных для анализа оценочных задач – с уточнением (или выбором), по мере необходимости, набора оптимальных для данной ситуации анализа диагностических параметров, шкал, эталонов и/или алгоритмов их анализа;

4) Визуализация (на экране монитора или в виде распечатки) табличных и/или графических результатов анализа;

5) Стирание, сохранение, редакция, обобщение, экспорт или дальнейшая обработка полученных материалов.

По мере детализации агроэкологической оценки земель и повышения эффективности разрабатываемых на ее основе адаптивно-ландшафтных систем земледелия все большее значение приобретает адекватный поставленным задачам оценки анализ своеобразия конкретного агроландшафта, провинциально-генетических особенностей его основных почв, агроэко­ло­ги­ческих качеств рельефа, микроклимата, фитосанитарного состояния и функционально-экологического состояния земель.

Информационно-аналитические модули РАГИС АЗ включают в себя:

(А) специализированные базы данных (БД) текущей (оцениваемой) и нормативно-спра­воч­ной информации (используемой в процессе оценки или интерпретации ее результатов);

(Б) базы знаний ( БЗ), представляющие собой совокупность в различной степени формализованных правил, процедур и алгоритмов анализа, трансформации и интерпретации исходной информации по объекту анализа;

(В) систему управления базами данных (СУБД), обеспечивающую ввод, экспорт, импорт, выбор по запросу, визуализацию и обработку информации – согласно заданной в БЗ системе правил, процедур и алгоритмов анализа.

Для построения региональных автоматизированных систем агроэкологической оценки земель, как правило, применяются универсальные программные платформы создания производных структурированных баз данных и специализированных СУБД (MAMPS, Delphi, 1С). Их использование значительно упрощает и ускоряет процесс формирования информационно-аналитических модулей РАГИС АЗ, облегчает широкое использование в них современных средств визуализации данных и процедур анализа, позволяет создавать интерактивные системы с интерфейсом, максимально понятным и удобным для широкого круга пользователей без специальной подготовки по информатике и оценке земель.

Автоматизированные системы агроэкологической оценки количественных критериев физического и экономического соответствия земель различным вариантам и технологиям их использования предусматривают 3-хэтапную процедуру настройки системы к условиям конкретного региона: 1) формирование перечня основных диагностических показателей оценки – ОДПО; 2) системный анализ агроэкологических требований основных выращиваемых культур (подразумевая и условия их возделывания); 3) приведение в соответствие шкал, нормативов и алгоритмов оценки ОДПО агроэкологическим требованиям выращиваемых культур и агротехнологий (276, 292,295).

Типичная структура такой оценки приведена на рисунке 7.2 и состоит из следующих основных процедур: а) выбор объекта оценки; б) ввод значений первичных характеристик выбранного участка земли (элементарный ареал агроландшафта, элементарный рабочий участок); в-г) частная и функционально-фак­торная оценки первичных характеристик с переходом от них к оценке основных составляющих функционального качества земель (плодородие, условия обработки, уровень загрязнения и т.п.); д) интегральная оценка сложных объектов – на основе анализа результатов оценки их составных элементов; е) визуализация результатов оценки в виде специально разрабатываемых форм-отчетов, графиков или картосхем.

Первая задача, с которой сталкивается любой разработчик и пользователь РАГИС АЗ, состоит в однозначной идентификации объекта(ов) анализа в системе их координации, принятой в данной системе оценки. Как правило, она включает в себя четыре принципиальные составляющие:

а) почвенно- и/или ландшафтно-географическая координация объектов;

б) административно-хозяйственная организация территории (район, хозяйство, отделение и/или бригада);

в) структурно-иерархическая организация объекта (простой, сложный, состав и краткая характеристика базовых элементов);

г) функциональная дифференциация решаемых оценочных задач (определение перечня включенных в конкретный анализ оценочных задач).

Рис.7.2. Принципиальная блок-схема РАГИС АЗ на примере сформированной для Курской области модели РАСКАЗ (20)

Почвенно- и/или ландшафтно-географическая координация объектов оценки обеспечивает корректное сопоставление текущих данных по объекту оценки с соответствующими нормативными данными и шкалами оценки. Последние, как показано в предыдущих разделах Руководства, имеют очевидную провинциально-генетическую, литолого-гео­мор­фологическую и агрогенно-хо­зяй­ственную дифференциацию и, в идеале, должны быть районированы в соответствии с системой агроэкологического районирования соответствующего природного или административного региона.

Точная идентификация объекта анализа в подсистеме административно-хозяйственной организации территории позволяет автоматически воспроизводить его точную административно-хозяйственную привязку на всех выходных формах анализа и формировать соответствующие записи в агроэкологических паспортах и специализированных базах данных (если они были заведены). Кроме того, часто она является наиболее удобным «ключом» к определению точного почвенно- и ландшафтно-географического адреса объекта – при формировании в базе знаний редактируемой системы правил соответствия административно-хозяйственных территориальных единиц элементарным выделам агроэкологического районирования. В таком случае, выбор произвольного объекта анализа в настроенной на конкретный регион РАГИС АЗ предусматривает автоматическое определение его основных агроэкологических (почвенно-географических, ландшафтных, агроклиматических и т.п.) координат.

Идентификация структурно-иерархической организации объекта анализа автоматически выбирает или сужает исходную базу выбора используемого при его анализе набора алгоритмов. Окончательное определение набора включенных в конкретный анализ алгоритмов оценки происходит при выборе в системе раскрывающихся меню перечня решаемых (комплексных или автономных) оценочных задач, включенных в их решение факторов оценки и основных диагностических показателей оценки этих факторов.

Ввод исходной информации для проведения агроэкологической оценки земель идентифицированного объекта анализа может выполняться как вручную (с клавиатуры – рис.7.3), так и посредством автоматического выборочного считывания информации по объекту исследования из заранее созданной региональной базы данных или файла данных стандартного вида.

В ряде случаев, приходится предусмотреть дополнительную процедуру перевода удобной для ввода размерности основных диагностических параметров оценки (ОДПО) в производную размерность, соответствующую требованиям используемого алгоритма анализа. Например, площади переводятся из га в %, содержания элементов питания – из мг на 100 г в мг на кг, из одной формы экстрагирования в другую и т.д.

Последовательное решение оценочных задач, выбранных для анализа агроэкологического качества земель ранее идентифицированного объекта анализа предусматривает поэтапное ( интерактивное или полностью автоматизированное – на основе правил из базы знаний) уточнение (или выбор), по мере необходимости, набора оптимальных для данной ситуации анализа диагностических параметров, шкал, эталонов и/или алгоритмов их анализа – из всей совокупности рассмотренных во 2-м разделе Руководства основных диагностических параметров оценки, шкал, нормативов и алгоритмов оценки.

Прежде всего, решается задача выбора наиболее значимых (лимитирующих) функциональных факторов и диагностических параметров агроэкологической оценки – в соответствии с агроэкологическими особенностями оцениваемых земель и выбранными для анализа целевыми функциями оценки (плодородие, выбор оптимальных земель для конкретной культуры или агротехнологии). Как правило, она решается интерактивно: пользователь выбирает факторы оценки и оцениваемые параметры из системы раскрыва­ющихся в соответствующих разделах РАГИС АЗ списков/меню (рис. 7.4.).

Рис.7.3. Пример бланка ввода текущих значений почвенных характеристик для агроэкологической оценки земель

Опытный эксперт выполняет эту операцию достаточно быстро и эффективно. В помощь менее опытному пользователю разрабатываются районированные сценарии агроэкологической оценки, когда анализируемый набор функциональных факторов и диагностических параметров оценки выбирается при прохождении пользователя через иерархическую систему вопросов с выбором стандартных или количественных ответов – в соответствии со специальным набором правил из подготовленной для этого базы знаний.

Рис.7.4. Пример бланка интерактивного выбора функциональных факторов и диагностических параметров для агроэкологической оценки земель в РАГИС АЗ

Первоочередное влияние на эффективность работы РАГИС АЗ оказывают пять следующих принципиальных элементовоценки:

Ø целевое определение набора анализируемых функциональных (технологических) факторов и основных диагностических параметров оценки (ОДПО) земель – ограниченного рамками поставленной задачи;

Ø использование для характеристики каждого из факторов обоснованно достаточного, но не избыточного набора реально доступных ОДПО;

Ø выбор рациональных (достаточно, но не избыточно информативных) шкал квантификации-ранжирования используемых ОДПО;

Ø разработка эффективного алгоритма анализа модели – с установлением оптимального метода интегрирования и интерпретации результатов;

Ø принятия во внимание известных закономерностей провинциально-гене­тического разнообразия почв, простран­ствен­ного варьирования поч­вен­ных характеристик и местных особенностей структуры почвенного покрова – соответствующих масштабу анализа.

Как правило, региональные агрогеоинформационные системы агроэкологической оценки земель предусматривают возможность оперативной визуализации получаемых результатов оценки в виде тематических или синтетических (получаемых в результате синтеза отдельных тематических карт) электронных картосхем основных факторов и параметров агроэкологического состояния земель (рис. 7.5), что облегчает возможности их оперативной интерпретации для сравнительного анализа и проектирования систем земледелия.

Рис.7.5. Распечатка электронной картосхемы агроэкологической оценки эродированности земель Курской области (Хахулин, Васенёв, 2003)

Применение региональных агрогеоинформационных систем агроэкологической оценки земель позволяет быстро обрабатывать большие и сложно организованные массивы первичных агроэкологических данных, трансформируя их в хорошо упорядоченную и логично интерпретируемую систему сопоставимых агроэкологических оценок. На их основе легко выявляются и количественно ранжируются проблемные агроэкологические ситуации и лимитирующие параметры земель – формируя гибкую информационную основу детального агроэкологического районирования и микрозонирования. Повышенная открытость рамочных систем оценки предусматривает их оперативную настройку для работы с новым регионом или технологией земледелия.