Применение геоинформатики (ГИС) в сельском хозяйстве

Поделиться

Геоинформатика (ГИС) устраняет разрыв между пространственными данными и принятием решений в сельском хозяйстве, позволяя фермерам оптимизировать использование ресурсов при минимизации воздействия на окружающую среду. Этот технологически ориентированный подход помогает адаптировать методы точного земледелия к конкретным условиям поля, тем самым повышая производительность и эффективность.

Геоинформатика в сельском хозяйстве

Анализируя точную пространственную информацию, такую как изменчивость почвы, содержание влаги и распространение вредителей, фермеры могут принимать взвешенные решения, обеспечивая обработку каждого участка своей земли именно тем, что ему необходимо. Последние данные показывают, что эта технология широко используется: более 701 тыс. фермерских хозяйств применяют ее в той или иной форме. Интеграция геопространственных данных становится стандартной практикой в процессах принятия решений в различных отраслях, от мелкого натурального хозяйства до крупных коммерческих предприятий. Фермеры могут следить за своими посевами в режиме реального времени, используя спутниковые снимки и наземные датчики. Благодаря уменьшению отходов и снижению негативного воздействия на окружающую среду, они могут использовать это для точного внесения воды, удобрений и пестицидов там и тогда, где это необходимо. Проект CottonMap в Австралии использует геоинформатику для мониторинга водопотребления, что привело к снижению потребления воды на 401 тыс. тонн. Улучшенное управление ресурсами минимизирует воздействие на окружающую среду за счет сокращения стока химикатов и чрезмерного орошения. Повышение производительности способствует обеспечению глобальной продовольственной безопасности. Оптимизируя схемы посадки с использованием пространственных данных, фермеры могут добиться более высоких урожаев без расширения сельскохозяйственных угодий.

Что такое геоинформатика?

Геоинформатика, также известная как географическая информационная наука (ГИС-наука), — это междисциплинарная область, объединяющая элементы географии, картографии, дистанционного зондирования, информатики и информационных технологий для сбора, анализа, интерпретации и визуализации географических и пространственных данных. Она фокусируется на сборе, хранении, управлении, анализе и представлении пространственной информации в цифровом виде, способствуя лучшему пониманию поверхности Земли и взаимосвязей между различными географическими объектами. Это мощный инструмент, который может использоваться для самых разных целей, включая: 1. Точное земледелие: Его можно использовать для сбора данных по различным факторам, таким как тип почвы, урожайность и заражение вредителями. Затем эти данные можно проанализировать для выявления областей изменчивости на поле. После выявления таких областей фермеры могут использовать ГИС для разработки индивидуальных планов управления для каждой из них. 2. Экологический мониторинг: Его можно использовать для мониторинга изменений в окружающей среде, таких как вырубка лесов, изменение землепользования и качество воды. Затем эти данные можно использовать для отслеживания прогресса в реализации экологической политики и выявления областей, нуждающихся в дополнительной защите. 3. Градостроительство: Геоинформатика может использоваться для планирования и управления городскими территориями. Эти данные могут применяться для выявления районов, нуждающихся в развитии, для планирования транспортных сетей и управления инфраструктурой. 4. Управление в случае стихийных бедствий: Его можно использовать для управления чрезвычайными ситуациями, такими как наводнения, землетрясения и лесные пожары. Эти данные могут быть использованы для отслеживания развития катастрофы, выявления пострадавших районов и координации усилий по оказанию помощи.

Компоненты геоинформатики

Эти компоненты работают вместе, позволяя получить представление о различных аспектах земной поверхности и ее взаимосвязях. Вот основные компоненты геоинформатики:

• Географические информационные системы (ГИС): ГИС включает в себя использование программного и аппаратного обеспечения для сбора, хранения, обработки, анализа и визуализации географических данных. Эти данные организуются в слои, что позволяет пользователям создавать карты, проводить пространственный анализ и принимать обоснованные решения на основе пространственных взаимосвязей.
• Дистанционное зондирование: Дистанционное зондирование включает в себя сбор информации о поверхности Земли на расстоянии, как правило, с использованием спутников, самолетов или дронов. Данные дистанционного зондирования, часто в виде изображений, могут дать представление о растительном покрове, состоянии растительности, климатических условиях и многом другом.
• Глобальные системы позиционирования (GPS)Технология GPS обеспечивает точное позиционирование и навигацию с помощью сети спутников. В ГИС GPS используется для сбора точных данных о местоположении, что имеет решающее значение для картографирования, навигации и пространственного анализа.
• Пространственный анализ: Это позволяет применять различные методы пространственного анализа для понимания закономерностей, взаимосвязей и тенденций в географических данных. К этим методам относятся анализ близости, интерполяция, анализ наложения и сетевой анализ.
• КартографияКартография включает в себя создание карт и визуальных представлений географических данных. Она предоставляет инструменты и методы для разработки информативных и визуально привлекательных карт, эффективно передающих пространственную информацию.
• Геобазы данныхГеобазы данных — это структурированные базы данных, предназначенные для хранения и управления географическими данными. Они обеспечивают основу для организации пространственных данных, позволяя эффективно хранить, извлекать и анализировать их.
• Веб-картография и геопространственные приложенияГеоинформатика получила широкое распространение в сфере веб-картографии и приложений, позволяя пользователям получать доступ к географическим данным и взаимодействовать с ними через онлайн-платформы. Это привело к разработке различных сервисов и инструментов, основанных на определении местоположения.
• Геопространственное моделированиеГеопространственное моделирование включает в себя создание вычислительных моделей для имитации реальных географических процессов. Эти модели помогают прогнозировать результаты, моделировать сценарии и принимать решения в различных областях.

8. Применение и использование геоинформатики в сельском хозяйстве

Вот некоторые из ключевых областей применения ГИС в сельском хозяйстве:

1. Точное земледелие

Точное земледелие использует возможности географических информационных систем (ГИС) для предоставления фермерам подробной информации об их полях. Эта информация варьируется от детальных карт растительности и продуктивности до данных по конкретным культурам. В основе этого подхода лежит принятие решений на основе данных, что позволяет фермерам оптимизировать свою деятельность для достижения максимальной урожайности и эффективности. Система мониторинга урожая GeoPard, создающая карты продуктивности, предоставляет важнейшее решение для точного земледелия. Эти карты используют исторические данные за предыдущие годы, позволяя фермерам выявлять закономерности продуктивности на своих полях. Используя эту информацию, фермеры могут определять плодородные и неплодородные участки.

2. Мониторинг состояния растений

Значение мониторинга состояния сельскохозяйственных культур невозможно переоценить. Благополучие растений напрямую влияет на урожайность, управление ресурсами и общее состояние сельскохозяйственной экосистемы. Традиционно ручной осмотр посевов на обширных полях был трудоемким и занимал много времени. Однако с появлением передовых технологий, таких как ГИС и дистанционное зондирование, произошел кардинальный сдвиг, позволивший осуществлять точный мониторинг в беспрецедентных масштабах. Геоинформатика помогает в раннем выявлении потенциальных проблем, влияющих на состояние сельскохозяйственных культур. Анализируя данные дистанционного зондирования и спутниковые снимки, фермеры могут выявлять стрессовые факторы, такие как дефицит питательных веществ или вспышки заболеваний, что позволяет проводить целенаправленные мероприятия.

3. Прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур

Интеграция исторических данных, состава почвы, погодных условий и других переменных позволяет фермерам прогнозировать урожайность с поразительной точностью. Эта информация дает им возможность принимать обоснованные решения относительно посева, распределения ресурсов и маркетинговых стратегий. В области прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур компания GeoPard стала ведущим новатором. GeoPard разработала надежный метод, который, по утверждению компании, демонстрирует превосходную точность более 901 TP3T, объединяя исторические и текущие данные о урожайности, полученные со спутников. Этот инновационный подход является доказательством того, как технологии могут произвести революцию в современном сельском хозяйстве.

4. Мониторинг животноводства с помощью геоинформатики

Пространственные данные, полученные с помощью GPS-трекеров, установленных на скоте, позволяют получить представление о перемещениях и поведении животных. Эти инструменты дают фермерам возможность точно определять местоположение скота на ферме, обеспечивая эффективное управление и уход. Помимо отслеживания местоположения, инструменты ГИС в сельском хозяйстве предоставляют всестороннее представление о здоровье скота, моделях роста, циклах фертильности и потребностях в питании. Прогнозируется, что глобальный рынок точного земледелия, включая мониторинг скота, достигнет значительной стоимости в ближайшие годы. Эта тенденция подчеркивает преобразующий потенциал ГИС в оптимизации управления животноводством.

5. Борьба с насекомыми и вредителями

Традиционные методы, такие как ручная разведка больших полей, оказались трудоемкими и неэффективными. Однако конвергенция технологий, в частности алгоритмов глубокого обучения и спутниковых данных, произвела революцию в обнаружении и борьбе с вредителями. Геоинформатика помогает создавать карты распространения вредителей, что позволяет точно применять пестициды. Целенаправленно обрабатывая определенные участки, фермеры могут минимизировать использование химикатов, уменьшить воздействие на окружающую среду и защитить полезных насекомых. Система мониторинга урожая GeoPard — эффективный метод выявления различных угроз, таких как засорение сорняками и болезни сельскохозяйственных культур. Потенциальные проблемные зоны выявляются путем изучения собранных в полевых условиях индексов растительности. Например, низкое значение индекса растительности в определенном месте может быть признаком потенциальных вредителей или болезней. Это упрощает процедуру и устраняет необходимость в трудоемкой ручной разведке больших полей.

6. Контроль орошения

Данные, полученные с помощью ГИС, предоставляют ценную информацию об уровне влажности почвы, помогая фермерам принимать обоснованные решения относительно графика полива. Это обеспечивает эффективное использование воды и предотвращает переувлажнение или засуху. Технологии ГИС для сельского хозяйства предоставляют мощный инструментарий для выявления культур, испытывающих нехватку воды. Фермеры могут узнать больше о водном состоянии своих посевов, используя такие индексы, как нормализованный разностный индекс влажности (NDWI) или нормализованный разностный индекс влажности (NDMI). По умолчанию в системе мониторинга урожая GeoPard используется индекс NDMI, который имеет шкалу от -1 до 1. Нехватка воды обозначается отрицательными значениями около -1, а заболачивание может обозначаться положительными значениями, близкими к 1.

7. Борьба с наводнениями, эрозией и засухой.

Наводнения, эрозия и засуха представляют собой грозных противников, способных нанести существенный ущерб сельскохозяйственным угодьям. Помимо физического разрушения, эти проблемы нарушают доступность воды, здоровье почвы и общую урожайность. Эффективное управление этими угрозами имеет решающее значение для обеспечения продовольственной безопасности, сохранения природных ресурсов и развития устойчивых методов ведения сельского хозяйства. Геоинформатика помогает оценить уязвимость ландшафтов к наводнениям, эрозии и засухе. Анализируя топографические данные, характер выпадения осадков и характеристики почвы, фермеры могут внедрять стратегии для смягчения этих рисков.

8. Использование ГИС в автоматизации сельского хозяйства

Географические информационные системы (ГИС) вышли за рамки своей традиционной роли картографических инструментов и стали важнейшими средствами управления автоматизированной техникой. Эта технология наделяет различное сельскохозяйственное оборудование, такое как тракторы и дроны, пространственными данными и системами точной навигации. В результате задачи, начиная от посадки и заканчивая опрыскиванием и уборкой урожая, могут выполняться с беспрецедентной точностью и минимальным участием человека. Представьте себе ситуацию, когда трактору поручено засеять посевы на огромном поле. Оснащенный системой GPS и технологией ГИС, трактор использует пространственные данные для навигации по заранее определенным маршрутам, обеспечивая равномерное размещение семян и оптимальное расстояние между ними. Такая точность не только повышает урожайность, но и минимизирует потери ресурсов.

Роль геоинформатики в точном земледелии

Она играет решающую роль в точном земледелии, предоставляя фермерам данные и инструменты, необходимые для принятия обоснованных решений по управлению урожаем. Ее можно использовать для сбора данных по различным факторам, таким как тип почвы, урожайность и заражение вредителями.

Затем эти данные можно проанализировать, чтобы выявить области изменчивости внутри поля. После выявления таких областей фермеры могут использовать ГИС для разработки индивидуальных планов управления для каждой из них.

Использование геоинформатики в точном земледелии быстро растёт по всему миру. Например, в Соединенных Штатах за последние пять лет использование точного земледелия увеличилось более чем на 501 тонну на 3 тонны. А в Китае ожидается, что в ближайшие годы использование точного земледелия будет расти более чем на 201 тонну на 3 тонны в год.

Исследования показали, что точное внесение ресурсов с помощью геоинформатических методов может привести к увеличению урожайности до 151 тонны на 3 тонны при одновременном снижении затрат на ресурсы на 10-301 тонну на 3 тонны.

Кроме того, исследование, опубликованное в журнале Nature в 2020 году, показало, что использование ГИС для управления поливом пшеницы привело к увеличению урожайности на 201 ТТ3Т. Другое исследование, опубликованное в журнале Science в 2021 году, показало, что использование ГИС для более точного внесения удобрений на кукурузном поле привело к увеличению урожайности на 151 ТТ3Т.

Его также можно использовать для создания карт урожайности сельскохозяйственных культур. Эти карты позволяют выявлять участки с низкой урожайностью, которые затем можно исследовать для определения причины проблемы. После выявления причины проблемы фермеры могут принять меры по улучшению урожайности на этих участках.

Например, фермеры могут использовать его для создания карт типов и плодородия почвы. Затем эти карты можно использовать для более точного внесения удобрений, что может помочь повысить урожайность и сократить количество ненужных удобрений.

Помимо сбора и анализа данных, его можно использовать и для визуализации пространственных данных. Это может быть полезно фермерам, чтобы увидеть, как различные факторы, такие как тип почвы и урожайность, распределяются по полю. Инструменты визуализации также могут помочь фермерам донести свои выводы до других, например, до консультантов по растениеводству или государственных чиновников.

В реальном мире геоинформатика находит широкое применение в точном земледелии. Например, технология переменной нормы внесения (VRT) использует пространственные данные для внесения различных объемов ресурсов, таких как вода, удобрения и пестициды, по всему полю.

Такой подход гарантирует, что культуры получают именно те питательные вещества, которые им необходимы, оптимизируя рост и урожайность. В другом случае, спутниковые снимки и дроны предоставляют ценную информацию о состоянии растений и обнаружении болезней, что позволяет оперативно принимать меры.

Система мониторинга урожая GeoPard как пример программного обеспечения ГИС для сельского хозяйства.

Крайне важно помнить, что программное обеспечение ГИС, используемое в сельском хозяйстве, может различаться в зависимости от его предназначения. Некоторые инструменты показывают уровень влажности почвы для облегчения выбора посевов, другие же отображают сорта культур, урожайность и распределение. Даже сравнение экономической эффективности лесозаготовок и лесоводства можно провести с помощью различных приложений. Поэтому каждый фермер или руководитель сельскохозяйственного предприятия должен найти идеальное решение ГИС, которое предоставит ему необходимую информацию для принятия обоснованных решений на своей земле. Что касается полевых данных, платформа мониторинга урожая GeoPard обладает рядом преимуществ. Она предлагает сводки динамики растительности и влажности почвы, исторические данные о растительности и погоде, а также точные 14-дневные прогнозы погоды. Эта платформа предоставляет такие возможности, как разведка для организации работ и обмена информацией в режиме реального времени, а также журнал полевых работ для планирования и мониторинга операций, поэтому она предлагает больше, чем просто данные на основе ГИС. В систему мониторинга урожая GeoPard также включены данные из дополнительных источников. Например, инструмент «Менеджер данных» интегрирует данные с сельскохозяйственной техники в платформу. Он поддерживает популярные форматы файлов, такие как SHP и ISO-XML. Вы можете измерять урожайность сельскохозяйственных культур, используя данные с полевой техники, сравнивать их с картами внесения удобрений, изучать тактику внесения удобрений и создавать планы по увеличению урожайности. Организации, с которыми сотрудничают сельскохозяйственные предприятия, и сами получают большую выгоду от этой универсальной платформы.

Проблемы точного земледелия и геоинформатики

Интеграция точного земледелия и геоинформатики влечет за собой множество политических последствий и нормативных вопросов. Правительства во всем мире сталкиваются с необходимостью разработки рамок, которые способствуют инновациям, одновременно обеспечивая конфиденциальность данных, землепользование и экологическую устойчивость. Например, нормативные акты могут регулировать сбор и обмен пространственными данными, права интеллектуальной собственности на технологии точного земледелия и этичное использование ИИ в сельском хозяйстве. В Европейском Союзе Общая сельскохозяйственная политика (ОСП) признает роль цифровых технологий, включая геоинформатику, в повышении производительности сельского хозяйства. Предоставляются финансовые стимулы для поощрения фермеров к внедрению методов точного земледелия, соответствующих экологическим целям и целям устойчивого развития. Этот пример иллюстрирует, как политика может стимулировать внедрение технологий на благо общества. Однако внедрение геоинформационных технологий в сельском хозяйстве приносит значительные преимущества, но сопровождается проблемами, особенно для фермеров разных масштабов. Мелкие фермеры часто сталкиваются с финансовыми ограничениями, им не хватает ресурсов для приобретения технологий и обучения. Более крупные хозяйства сталкиваются со сложностями управления данными из-за масштаба своей деятельности. Часто встречаются пробелы в технических знаниях, и как мелким, так и крупным фермерам требуется обучение для эффективного использования геоинформационных инструментов. Ограниченная инфраструктура и связь затрудняют доступ, особенно в отдаленных районах. Возникают проблемы с адаптацией, поскольку решения могут не подходить для небольших ферм или не интегрироваться в более крупные хозяйства. Культурное сопротивление изменениям и опасения по поводу конфиденциальности данных влияют на повсеместное внедрение. Государственная политика, неопределенность рентабельности инвестиций и проблемы совместимости еще больше препятствуют прогрессу. Для решения этих проблем потребуются индивидуальные стратегии, чтобы обеспечить пользу от геоинформатики для всех фермеров, независимо от масштаба их деятельности.

Заключение

Интеграция геоинформатики в современное сельское хозяйство обладает огромным потенциалом для преобразований. Используя возможности пространственных данных, фермеры и заинтересованные стороны в сельском хозяйстве могут принимать обоснованные решения, оптимизировать использование ресурсов и внедрять устойчивые методы ведения сельского хозяйства. Будь то прогнозирование урожайности, управление водными ресурсами или повышение точности земледелия, ГИС становится путеводной звездой, формирующей более эффективное, устойчивое и продуктивное будущее для всего мира сельского хозяйства. Точное земледелие