Разработка информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования

Проект федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» на тему «Разработка информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования на уровне хозяйствующего субъекта и региона для перехода к высокопродуктивному агрохозяйству нового технологического уклада»

 
 
 
 
Сроки:
1 этап: 10 декабря - 31 декабря 2019 г.
2 этап: 1 января - 30 сентября 2020 г.
 
Основной исполнитель проекта : ФГБНУ "Почвенный институт им. В.В. Докучаева"
Соисполнители проекта:
Агрофизический институт,
Государственный университет землеустройства,
Всероссийский институт аграрных проблем и информатики имени А. А. Никонова.
Индустриальный партнер проекта:
Акционерное общество «Объединенная химическая компания «УРАЛХИМ»
Уникальный идентификатор проекта:
RFMEFI60719X0302
 
 
Цель проекта:
Целью проекта является разработка цифровой многоуровневой аналитической системы «Умное землепользование и землеустройство», предназначенной для оптимизации использования почвенных и земельных ресурсов в сельском хозяйстве.
Ожидаемые результаты:
Будет создана система, позволяющая на разных уровнях обобщения (поле, хозяйство, муниципалитет, субъект РФ, страна, зарубежные территории) на основе отечественных цифровых, дистанционных, геоинформационных технологий и методов компьютерного моделирования решать следующие задачи:
1. Разрабатывать среднесрочные прогнозы состояния и развития основных агропродовольственных рынков, схемы размещения сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности, моделировать влияние различных вариантов аграрной политики на состояние сельского хозяйства, доходы потребителей, динамику внешней торговли продовольствием и сельскохозяйственным сырьем, расходы консолидированного бюджета, осуществлять мониторинг состояния и тенденций развития исследований в области сельскохозяйственных наук.
2. Осуществлять сбор, актуализацию и хранение данных о состоянии почв и земель, их мониторинг, многоцелевую оценку пригодности земель и моделирование потенциальной урожайности, осуществлять заблаговременное прогнозирование урожайности с/х культур, создавать планы оптимального размещения с/х угодий и посевов отдельных культур, проекты адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий, осуществлять кадастровую оценку земельных участков и проведение оценки их залоговой стоимости.
3. На основе теоретических представлений и знаниях о механизмах и закономерностях взаимодействия генотипа со средой обитания будет построен прототип уникальной научно-технологической инфраструктуры в регулируемых условиях для реализации: системы “сорт-технология» по созданию новых форм, линий и сортов для технологии точного земледелия с использованием современных методов генотипирования и фенотипирования организмов, геномной и маркер вспомогательной селекции; практического получения линий и сортов селективных культур с комплексом хозяйственно-ценных признаков, адаптированных для использования в технологиях точного земледелия, будет создана система комплексной неинвазивной экспресс-оценки качества и продукционного потенциала посевного материала и физиологического состояния вегетирующих растений, раннего определения возникновения дефицита основных элементов питания в тканях зерновых и овощных культур для оперативной корректировки применяемых агротехнологий и оптимизации состояния посевов сельскохозяйственных культур, будут разработаны новые технологии направленного улучшения стрессоустойчивости растений и получения растительной продукции высокого качества с заданными функциональными характеристиками посредством применения созданных высокоэффективных и экологически безопасных нанопрепаратов на основе кремнезольных и углеродных наноструктур, будут созданы мобильные и стационарные информационно-измерительные комплексы для измерения агрофизических, агрохимических, агрометеорологических и других характеристик сельскохозяйственных полей, оснащенных уникальными датчиками и соответствующим программным обеспечением, будет разработан действующий пилотный фрагмент региональной мониторинговой системы (как фрагмент единой государственной информационной структуры) – сетевой центр для централизованного доступа абонентов (государственных служб, сельхозтоваропроизводителей, разработчиков и исследователей) к нормативным, научно-методическим, программным и другим сервисам с целью качественного и надежного информационного обеспечения сельскохозяйственного производства и содействия процессу освоения и широкого использования инновационных технологий точного земледелия.
4. Будут созданы и внедрены новые роботизированные средства и механизмы, платформы «интернета вещей» (кибер-физические системы) для управления сельхозтехникой, теплицами, инструментами, потоками используемых материалов, повышения энергоэффективности производства, управления системами прослеживаемости, будут разработаны отечественные технические средства и программное обеспечение для внедрения систем цифрового сельского хозяйства в виде технологий «умное поле», «умная теплица», «умный сад», будет разработана программа серийного выпуска комплекса приборов, машин и навигационного оборудования, определения головных отраслевых организаций-производителей и подготовки необходимой технической документации.
5. Будет разработана новая технология, программный комплекс и инструкция по проведению зонирования земель сельскохозяйственного назначения субъекта Российской Федерации для целей выделения особо ценных продуктивных сельскохозяйственных угодий, составления реестра и установления видов и параметров разрешенного использования сельскохозяйственных земель, дополнительные образовательные услуги (включая повышение квалификации и переучивания) в области цифровых технологий в землеустройстве и землепользовании.
 
Ход выполнения проекта:
  1. Промежуточный этап 06.12.2019 – 31.12.2019

Проведен обзор литературы и патентный поиск по таким направлениям развития науки как системы точного земледелия, бесконтактные датчики для получения информации о свойствах почв и посевов, использование данных дистанционного зондирования для картографирования и мониторинга почв и посевов, использование математических моделей принятия управленческих решений в земледелии и землепользовании. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, включает ссылки на 603 первоисточника, из которых 374 источника на иностранном языке и 220 источников за период 2011-2019 годы. Объект поиска при патентных исследованиях относился к области использования цифровых данных дистанционного зондирования Земли в изучении сельскохозяйственных земель, методов и приемов использования цифровых технологий в сельском хозяйстве. Глубина патентного поиска составила 49 лет. Проанализировано 90 источников. На основе литературного обзора обоснованы основные положения и приоритетные направления исследований в области мониторинга земель сельскохозяйственного назначения и установлены основные направления работ в рамках проекта.

Проведены теоретические исследования по изучению существующих методов сбора данных (мониторинга) о фактическом состоянии земель, определены наиболее перспективные инновационные методы из российской и зарубежной практики, включая методы с использованием новейших цифровых продуктов и технологий роботизированных полевых исследований, геоинформационного моделирования, анализа данных дистанционного зондирования. Проведен обзор современного состояния в области составления и обновления почвенных карт.

Разработан прототип автоматизированной системы создания проекта землеустройства в формате карты оптимального размещения угодий и объектов. Программная документация на автоматизированную систему создания проекта землеустройства территории включает в себя описание информационно-логической модели системы, ее основных блоков, а также процессов автоматизации создания проекта землеустройства и алгоритма планирования эффективного и устойчивого производства сельскохозяйственных культур при условии наиболее полной реализации ресурсного потенциала земель на уровне хозяйствующих субъектов, региона.

Разработан прототип автоматизированной системы экономической и кадастровой оценки земель, базирующийся на официально принятых подходах и рекомендациях Минэкономразвития России. В его основе лежит авторский показатель, названный «инвестиционным потенциалом землепользования», базирующийся на большом массиве практических данных о землепользовании, определяющих его стоимостные характеристики и привлекательность одновременно для государства, бизнеса, общества и землевладельца. Он включает описание методической последовательности определения инвестиционного потенциала сельскохозяйственного землепользования, схему пути от каждого вида первичной информации до результирующего показателя качества управления землепользованием.

Создана экономико-математическая модель оптимизации годового плана производства сельскохозяйственных культур, включая ее количественное описание, построение производственных функций урожайности, обоснование экономически целесообразной урожайности сельскохозяйственных культур в связи с планом применения минеральных удобрений, описание экономико-математической модели оптимизации севооборотов.

Создана база данных почвенно-климатических условий, которая включает сведения о почвах, рельефе, климате модельного региона и архив космической съемки MODIS, Landsat.

Разработаны теоретические основы построения средств оперативного мониторинга плотности, влажности и температуры пахотного слоя почвы. Разработаны методы получения пространственно-временных данных высокого разрешения в полевых условиях в режиме реального времени с помощью гибридной мультисенсорной системы.

Разработана методика сбора и обработки данных о фактическом состоянии земель. Экспериментальная апробация проведена для методов картографирования земель, методов расчета вегетационных индексов, методов сбора данных о свойствах почв.

Разработан эскизный проект цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования и представлена ее общая структурная схема, которая включает: базу данных, базу знаний, геоинформационную оболочку цифровой платформы и порядок использования подключаемых программных модулей. Разработана программная документация стадии эскизный проект. Концепция и эскизный проект информационно-ресурсной цифровой платформы созданы на основе современных информационных технологий и достижений в области информатики и вычислительной техники: системного, процессного и сервисного подходов, системного и ситуационного анализа, технологий облачных вычислений, методов поддержки принятия решений с использованием технологий искусственного интеллекта.

  1. Завершающий этап 01.01.2020 – 30.09.2020 (по состоянию на 20.06.2020)

Ведется экспериментальная апробация и доработка разработанных методов и технологий, а также автоматизированных систем в отдельных сельскохозяйственных предприятиях, включая экспериментальные образцы датчиков оперативного мониторинга свойств почв. Разрабатывается база данных о внешнем экономическом окружении, нормативах, сведениях о ресурсном потенциале сельского хозяйства. Апробируется технология мониторинга состояния сельскохозяйственных культур в течение сезона вегетации. Ведется доработка и испытания прототипа информационно-ресурсной цифровой платформы интеллектуального управления системами земледелия и землепользования.