Группой белорусских ученых и программистов создана геоинформационная система, в задачи которой входит оптимизация, планирование и даже... предсказание будущих урожаев.

Общее представление о том, что такое геоинформационная среда, пользователь интернета может получить, заглянув в Google maps. К сожалению, сервис этот пока примитивен, и информации, особенно касающейся нашего континента, из него можно почерпнуть совсем немного.

Настоящие геоинформационнные системы, "заточенные" под решение различных глобальных задач, представляют собой сложнейшие программно-информационные комплексы, использующие данные аэрофотосъемки, космического зондирования и наземного мониторинга. Стоимость их программной составляющей достигает сотен тысяч долларов. В огромные суммы обходится и информационное наполнение.

Тем не менее, сегодня геоинформационные системы различной степени сложности используются во многих отраслях хозяйства - в строительстве, на транспорте, в нефтегазовой промышленности и даже в экологии. В Беларуси они применяются в землеустройстве, лесном хозяйстве. Одну из таких систем разрабатывают ученые лаборатории мониторинга и моделирования природных систем "Института мелиорации и луговодства Национальной академии наук Беларуси" под руководством заместителя директора, кандидата технических наук Николая Вахонина.

Предыстория

Работы эти начались несколько лет назад. Более подробно прочесть об этом можно в "КВ" №42'2003.

А коротко: специалисты лаборатории занялись разработкой специализированной базы данных для хранения результатов мониторинга природной среды. Для визуализации пространственной информации ученые использовали геоинформационную систему AreView, разработанную в американской компании ESRI. Она и стала пространственной составляющей комплекса, создававшегося учеными минского НИИ. Любая точка на местности в AreView может быть представлена в нескольких вариантах - участка карты необходимого масштаба, космоснимков в различных разрешениях, группы цифровых характеристик из базы данных. С помощью AreView можно отображать и различные "тематические слои", например, застройку определенной территории, сельскохозяйственные поля, паутину рек и каналов, дороги или, скажем, болота, содержание в почве различных веществ.

Как делают систему

Ввод информации в геоинформационную систему (ГИС) - разговор отдельный. Это довольно длительное и дорогостоящее предприятие. К примеру, для того, чтобы получить на карте "слой" осушающих каналов, ученым пришлось искать их проектную схему, сканировать ее и "накладывать" на общую карту. Для "отрисовки" некоторых неотмеченных на схемах каналов специалисты НИИ использовали дополнительную информацию с космо- и аэрофотоснимков. Затем их положение уточнялось на местности, при помощи GPS-приемников. Столь масштабную работу трудно даже представить, учитывая, что территория, на которой ведется мониторинг, это десятки тысяч гектаров земли.

Как и любая универсальная оболочка, AreView решала далеко не все проблемы. Для окончательной доводки комплекса под свои задачи ученым и программистам НИИ пришлось написать множество специальных утилит и вспомогательных программ. К примеру, потребовалось нанести на карту не только каналы, но и слой полей севооборота сельскохозяйственного предприятия. Специальных карт, где они отмечены, под рукой не оказалось. А на ввод и проверку этой информации вручную потребовались бы годы.

Впрочем, известно, что по границам каждого поля пролегают все те же мелиоративные каналы. Написать утилиту, которая по расположению каналов определяет все поля, оказалось делом несложным.

Аналогичным путем минчане "сняли" и проблему отображения рельефа местности. От него в немалой степени зависит уровень грунтовых вод, который, в свою очередь, влияет на урожай. Специалисты НИИ придумали способ, как строить "матрицу рельефа", используя имеющуюся картографическую информацию. Для этого написали программу, которая превращает "горизонтали" высот на карте в точки. Сотни миллионов точек, каждой из которых в базе данных соответствовала высота над уровнем моря, и позволили получить достоверный "слепок" рельефа. Кроме этого, программисты НИИ написали целый букет конверторов, которые позволили импортировать в созданную информационную систему данные из других источников.

Собственноручно написанные плагины и утилиты сняли и необходимость обновления AreView. Новая версия стоила порядка семидесяти тысяч долларов. Денег таких у института, конечно, не было. Но разработки ученых добавили в ГИС такие возможности, которых нет даже в новой, оригинальной версии программного комплекса.

Мотылек Брэдбери - враг прогнозов

"Возможен ли детерминированный прогноз урожая?" - задал мне вопрос Николай Вахонин. И сам же ответил на него отрицательно. Урожай ведь зависит от несчетного количества изменчивых факторов, таких, например, как погодные условия. А они не поддаются моделированию в силу принципа проклятой размерности Беллмана, который гласит, что поведение огромных и очень сложных систем, таких, как атмосфера земли, предсказать невозможно из-за большого количества действующих в них элементов, связанных множеством цепочек взаимодействия.

Если все же попытаться эвристически предсказать урожай, не имея надежных теоретических инструментов, немедленно вступит в действие другой вредный принцип - контринтуитивного поведения сложных систем Форестера, т.е, опираясь на скудные данные, мы обязательно ошибемся.

А последнюю точку на любом, самом дотошном прогнозе ставит эффект, описанный американским фантастом Рэем Брэдбери. В одном из его произведений путешественник во времени, попав в прошлое, нечаянно наступил на мотылька, и это ничтожное по силе воздействие изменило будущее. В современной науке момент, когда огромная система в нестабильном состоянии меняется под воздействием незначительных случайных факторов, называется бифуркацией. Проверить действие бифуркации просто - подбросьте в воздух монетку. При известных законах, описывающих ее движение, детерминированно рассчитать, какой стороной она упадет, не получится, из-за невозможности учесть все, даже минимальные воздействия на нее при падении. Созревание урожая тоже сопровождается целым комплексом бифуркаций.

Формула урожая и реляционная модель

"Выходит, предсказывать урожай нельзя?" - спросил я Вахонина. "Нет, но можно моделировать его, вероятностно опираясь на многолетние данные наблюдений за природой", - торжествующе ответил ученый. "Вот тут-то и пригодятся материалы мониторинга изменений природной среды, собранные нашей командой", - добавил он.

Действительно, статистика многолетних наблюдений может дать ученым ту недостающую ниточку, которая приведет их к грамотному планированию. Обработав наблюдения за урожайностью различных культур в течение двадцати лет, при разных погодных условиях, водном режиме, разных дозах и составе удобрений, на различных полях, можно вычислить оптимальные условия развития растений. А если в системе расчетов учесть и финансовую составляющую, тогда можно получить самую настоящую, действенную и достаточно точную систему планирования урожая с оптимальными капиталовложениями. Это называется принятием решений в смешанных стратегиях.

Разобравшись в теории планирования урожая, специалисты НИИ усовершенствовали уже созданную ими систему хранения данных. Они разработали программное решение для хранения данных о процессах, протекающих в четырехмерном пространстве-времени. Система позволяет одним нажатием клавиши получить, допустим, текущее содержание фосфора, калия и других удобрений на полях, прозонировать влажность почв и уровень грунтовых вод (мониторинг ведь идет непрерывно, и данные постоянно уточняются), проанализировать другие природные характеристики, оказывающие прямое влияние на развитие растений. Таким образом, ученые лаборатории создали фактически автоматизированную книгу полей севооборота хозяйств - основа для принятия обоснованных решений в растениеводстве. К сожалению, для планирования этого недостаточно.

В мире давно разработаны различные многофакторные модели урожая, представляющие собой наборы математических формул. Они позволяют рассчитать нарастание биомассы с учетом динамики воды, тепла, и многие другие факторы. Всего таких уравнений около сотни. Но настоящая модель должна быть не изощренной, а адекватной, в ней необходимо учесть только основные факторы, влияющие на урожай. И тогда достаточно будет подготовить соответствующий набор данных, используя которые, компьютер и рассчитает оптимальное решение.

Работа над алгоритмами урожайности продолжается - эта проблема еще до конца не решена. А вот имитационные математические модели для расчета осушного действия мелиоративных систем, реконструкция которых уже идет по программе, утвержденной правительством республики, ученые минского НИИ уже разработали. Это комплекс дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих движение воды в водотоках и почве, которые позволяют выбрать оптимальные варианты обновления водных артерий.

Будущее - за информационными системами

Сейчас Николай Вахонин и его единомышленники уже задумываются над возможностью полномасштабного использования своего комплекса для планирования урожая в рамках нескольких областей и даже всей республики. Ведь имитационные модели созданы, отработана и система мониторинга. Теперь достаточно лишь адаптировать все это к условиям остальных регионов, и, как из "кубиков", собрать геоинформационную систему, способную контролировать урожайность на всей территории страны.

Спектр применения комплекса можно и расширить. Для этого в программу, используемую учеными столичного НИИ, надо лишь ввести и учесть при расчетах необходимые данные, например, количество и грузоподъемность автотранспорта и технических средств, используемых в агропроизводстве, людские ресурсы, обстановку на автотрассах в период уборочной и посевной. Полушутя Николай Вахонин заметил, что программный комплекс может оптимизировать урожай даже с поправкой на геополитическую обстановку - достаточно лишь доработать существующие имитационные модели.

Впрочем, и без этого у ученых и программистов НИИ дел, что называется, "по горло". Сам Вахонин трудится, порой, по восемнадцать часов в сутки и шутит, что требуется ему двадцать восемь. Управлять урожаем - дело нелегкое.

Эдуард ТРОШИН