Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Развитие технического прогресса, заставляет внедрять современные технологии во все сферы деятельности человека. Для помощи сельхозтоваропроизводителям в современном агропроизводстве в настоящее время широкое распространение получают различные «космические» технологиина базе спутниковой навигации.

Рациональное управление земельными ресурсами призвано повысить эффективность агротехнических операций, а тем самым и урожайность. Современное сельскохозяйственное производство представляет собой сложную многофакторную задачу,требующую серьезных затрат и умения.В большинстве случаев мониторинг рассматривается как набор действий, направленных на слежение за изменением объекта во времени с целью изучения специфики его динамичности и прогноза изменений.В качестве одного из основных источников информации, как правило, выступают данные дистанционного зондирования Земли. Необходимо отметить, что для мониторинга посевов в настоящий момент используютсяданные лишь низкого и среднего пространственного разрешения. Данныевысокого разрешения используются в основном для определения площадей посевов на тестовых или репрезентативных участках и мониторинг на их основе не охватывает территорию страны целиком.

Решение задач мониторинга и контроля параметров обрабатываемых угодий, учёта и анализа информации о статусе поля и выполняемых на нём работах, позволит оптимизировать выполняемые работы, повысить урожайность.

В результате всего выше сказанного в данной работе будет разработано программное обеспечение для спутникового мониторинга обрабатываемых сельскохозяйственных угодий.



1. Аналитический обзор поставленной задачи

1.1 Спутниковые системы мониторинга. Общие сведения

История развития спутниковой навигации (определения местонахождения объектов, его координат) зародилась в шестидесятые годы. Именно тогда во время противостояния США и СССР были разработаны первые образцы систем определения координат при помощи спутников, предназначенные исключительно для военных целей. На их основе в последствии и были созданы системы глобального позиционирования: в СССР - “ГЛОНАСС”, в США - “NAVSTAR-GPS” (GlobalPositioningSystem), более известная как просто GPS.

Первоначально данные системы использовались исключительно для нужд армии, однако со временем они получили и широкое гражданское применение - в настоящее время их коммерческое использование идет все активнее.

Учитывая то, что по понятным причинам, американская система получила более широкое международное распространение чем аналогичная российская, в дальнейшем в основном будет рассматриваться система GPS.

“NAVSTAR-GPS” - это спутниковая навигационная система, состоящая из работающих в единой сети 24 спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 000 км над поверхностью Земли. Спутники постоянно движутся со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг планеты менее чем за 24 часа.

Первые спутники системы “NAVSTAR-GPS” были запущены в феврале 1978 года. Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Мощность радиопередатчика не более 50 ватт.

Спутниковая навигационная система “NAVSTAR-GPS” включают три элемента:

- космический (навигационные ИСЗ);

- наземный (комплекс управления спутниками);

- оборудование пользователей (наземные спутниковые навигаторы).

Источником навигационной информации являются спутники.

Наземный комплекс управления служит для управления спутниками, синхронизации передаваемой информации со спутников и коррекции времени по эталонным часам.

Оборудование пользователей (наземные спутниковые навигаторы) - принимают информацию со спутников и осуществляют вычисление координат.

Важной частью любого такого навигатора является специальный радиоприемник, работающий на фиксированной частоте и постоянно "прослушивающий" специальные радиосигналы, передаваемые каждым из спутников и содержащих данные о параметрах орбиты и точном времени.

Из всей этой информации данные о точном бортовом времени являются наиболее важными, так как вычисление расстояния от спутника до навигационного приемника основано на задержке прохождения сигнала от спутника до приемника.

GPS трекер, получая сигналы со спутников, определяет координаты человека, затем с помощью GPRS данные передаются на сервер. Установленная на ваш компьютер программа подключается к серверу через Интернет и получает оперативную информацию. Сервер посылает необходимый минимум сведений на персональный компьютер. Тем самым снижаются расходы на трафик и обеспечивается бесперебойная работа системы даже при нестабильном или медленном интернет-соединении. Схема передачи данных представлена на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Схема движения данных

Спутниковый приемник с помощью специализированного процессора осуществляет обработку принятых сигналов, вычисляет расстояние между спутниками и приемником, результатом чего являются географические координаты (широта и долгота) вашего местонахождения (местонахождения приемника, установленного, например, в автомобиле).

Чем большее количество спутников «видит» GPS приемник, тем точнее он определяет свои координаты. В принципе, этого достаточно получить сигналы от двух спутников, однако на практике точность такого метода недостаточна и для вычислений обычно используются сигналы от трех спутников.

На сегодняшний день в системе GPS задействованы 24 спутника (с возможностью расширения до 30). Это количество достаточно для того, чтобы в любой точке земного шара получать сигналы как минимум от четырех из них, что позволяет определять трехмерные координаты - широту, долготу и высоту над уровнем моря.

Спутниковая GPS система находится под контролем Министерства обороны США, которое зарезервировало за собой предельную точность определения местоположения (в сигнал вводились специальные помехи для гражданских нужд). Точность гражданских GPS приемников составляла 70 - 160 метров, что примерно в 10 раз хуже, чем у военных. Однако в мае 2000 года правительство США отменило принудительную погрешность для гражданских GPS (оставив право ее введения в чрезвычайных ситуациях), практически уровняв тем самым точность гражданских и военных GPS приемников.

Дополнительное повышение точности GPS-систем возможно также за счет передачи специальных сигналов наземными эталонными станциями (система дифференциальной GPS), в результате чего точность определения координат повышается до 0,5 - 2 метров [1].

Данная технология применяется для тех людей, кому необходимо знать точно собственные координаты на местности либо координаты каких-либо объектов: мореплавателям, картографам, автоперевозчикам, топографам, строителям и пр.

Недавний пример: после терактов в Нью-Йорке на ближайших к разрушенным небоскребам зданиях были установлены специальные GPS-модули, которые наряду с другими средствами осуществляли контроль за изменением углов наклона зданий, расположенных в непосредственной близости от руин торгового центра для предотвращения возможных обвалов.

Помимо этого, спутниковый приемник GPS в любое время суток, в любых погодных условиях и в отсутствие каких бы то ни было ориентиров, безошибочно проведет через пустыню, не даст заблудиться в лесу, укажет направление к берегу. Если аналогичное устройство установить на автомобиль и дополнить электронной картой, то получится идеальный многофункциональный помощник.

Все спутниковые приемники можно условно разделить на два основных класса: профессиональные и бытовые.

Профессиональные навигационные приемники это довольно дорогостоящие изделия, ориентированные на решение специализированных задач и обеспечивающие чрезвычайно высокую точность и стабильность измеряемых координат. Применяются они в основном в картографии, геодезии, геологии, серьезных изыскательских работах.

Бытовые навигационные приёмники ориентированы на решение повседневных задач широкого круга лиц. Для определения своего местонахождения ими могут пользоваться практически все - от грибников и рыболовов до автомобильных компаний, использующих GPS для систем управления транспорта.

Решение задач автомобильной навигации возможно не только с помощью применения специальных автомобильных навигаторов, но и более распространенных и доступных устройств:

- переносной персональный компьютер (LapTop) + GPS приемник (или GPS мышь);

- карманный персональный компьютер + GPS приемник (или GPS мышь);

- портативный GPS приемник;

- полустационарный автомобильный GPS приемник;

- специализированные автомобильные навигационные системы (комплексы).

Существуют следующие основные потребительские характеристики и свойства навигационных приемников:

Количество каналов. На сегодняшний день только очень дешевые модели имеют менее 8 каналов. Более предпочтительными считаются 12 канальные - главными достоинствами которых является способность определять координаты в условиях плохой радиовидимости спутника и быстрота определения этих координат.

Дисплей - позволяет отображать полезную информацию в том числе и видеть свое месторасположение на электронной карте. Дисплеи для отображения используются черно-белые или цветные.

Хранение контрольных точек и маршрутов - возможность сохранения в памяти прибора определенных точек с их привязкой к координатам и отображением на электронной карте. Маршрут - запись и хранение совокупности точек в виде линий пройденного пути.

Дополнительные возможности и функции:

- компас, точное время, высота над уровнем моря, скорость, направление движения, количество видимых спутников;

- предварительный ввод маршрута и автоматический контроль за его выполнением.

Выход на исходную точку - запоминание определенной точки (в том числе и точки начала движения) с последующим указанием направления движения для выхода на эту точку.

Приближение к заранее заданной контрольной точке, отклонение от заранее введенного маршрута, удаление от контрольной точки на большее расстояние чем задано. Ввод и корректировка электронных карт.

Картографическое обеспечение является одной из главных составных частей автомобильных навигационных систем.

Во всем мире выпускается большое количество электронных карт для разного целевого использования и разного “железа” - для карманных навигаторов, карманных компьютеров, портативных компьютеров, стационарных автомобильных навигационных систем. Очень часто электронные карты совмещаются со специальным навигационным программным обеспечением.

Форматы представления электронных карт бывают двух основных типов:растровые и векторные.

Растровый формат наиболее простой. Он позволяет самостоятельно изготавливать карты путем их сканирования и привязки, обладает хорошими возможностями по детализации объектов. Основной минус карт, полученных таким образом - большой объем, избыточность информации, невозможность применения для планирования маршрутов движения. Такие карты чаще всего используются для персональных компьютеров.

Векторные карты обладают высокими возможностями масштабирования без потерь качества, занимают небольшой объем, имеют несколько рабочих слоев. Как правило, позволяют осуществлять автоматическое планирование маршрутов. Изготовление таких карт довольно трудоемкий процесс. Применение таких карт требует специального навигационного программного обеспечения и как правило карты не совместимы с программами и картами другого производителя

Отдельно можно выделить векторные карты с растровым изображением, но по своей сути это продукт является полностью векторной картой, на которую просто наложено растровое изображение местности.

Для работы с растровыми картами и навигационной информации при использовании персональных компьютеров как переносных, так и карманных требуется специальное программное обеспечение. В настоящее время такое программное обеспечение выпускается многими производителями.

Для работы с векторными картами существует тоже большая номенклатура программного обеспечения, но здесь возникает полная несовместимость между картами и программным продуктом разных производителей [2].

1.2 Системы мониторинга сельского хозяйства

Термин «мониторинг» заимствован из англоязычной литературы, где он означает «слежение за изменением чего-либо во времени». В большинстве случаев мониторинг рассматривается как набор действий, направленных на слежение за изменением объекта во времени с целью изучения специфики его динамичности и прогноза изменений. То есть прогноз не входит в понятие мониторинга, а является лишь его целью (основной, но не единственной).

Таким образом, под мониторингом сельскохозяйственных угодий необходимо понимать слежение за их изменением.

Как известно, термин "земля" является очень многогранным понятием. Под ним подразумевается многое, начиная от планеты в целом и заканчивая комком почвы. В нашем случае более правильно говорить о термине "земли", от которого произведены понятия "земельные угодья", "земельные ресурсы", "землепользование".

Из всех приведенных выше определений следует, что свойства земель предопределяются свойствами их отдельных компонентов: климата, рельефа, почв, геологического строения, растительности и особенностями их использования. Спецификой сельскохозяйственных земель является то.что естественная растительность в большинстве случаев заменена на культурную. Таким образом, мониторинг земель подразумевает слежение за их отдельными компонентами. Говоря о мониторинге сельскохозяйственных земель необходимо учитывать, что для мониторинга климата, рельефа и геологического строения территории существуют специальные отраслевые мониторинговые системы. Поэтому непосредственно к мониторингу сельскохозяйственных земель логично отнести лишь мониторинг почв и мониторинг сельскохозяйственной растительности.

Программы (системы) мониторинга сельскохозяйственных земель на национальном и наднациональном уровнях существуют во многих странах Мира. Поиск в интернете позволяет обнаружить информацию о более чем 30 национальных и наднациональных программах мониторинга почв, а также о более чем 20 системах мониторинга растительности сельскохозяйственных земель. При этом не учитывались работы по ежегодному мониторингу агрохимического состояния почв, который осуществляется практически всеми владельцами сельскохозяйственных

земель в развитых и во многих развивающихся странах.

Большинство программ мониторинга почв осуществляется под руководством государственных органов (министерств сельского хозяйства, охраны окружающей среды или лесопользования) или же научных учреждений при финансировании государством. Однако встречаются отдельные случаи организации мониторинга почв и негосударственными организациями.

В большинстве случаев целью мониторинга почв является решение природоохранных задач и предотвращение загрязнения продукции сельскохозяйственного производства.

Преобладающее количество систем мониторинга почв начало функционировать в начале 90-х годов прошлого века, хотя есть отдельные системы, которые функционируют и более длительное время.

Мониторинг почв осуществляется путем отбора и анализа почвенных образцов на репрезентативных тестовых площадках. Количество тестовых площадок разное в разных странах и варьирует от нескольких десятков до нескольких тысяч. При этом анализ производится один раз в год, а в большинстве случаев -- раз в 5-10 лет. Интересно отметить, что в большинстве систем образцы отбираются послойно, без учета строения профиля почв, а иногда только из пахотного горизонта почв. Анализируются, как правило, химические, физические, биологические, биохимические свойства почв, содержание микро и макроэлементов и основных загрязнителей. В некоторых системах попутно анализируется химический состав произрастающих на почве сельскохозяйственных растений.

Отдельно следует выделять мониторинг агрохимического состояния почв, который осуществляется во многих странах ежегодно. Целью этого мониторинга является поддержание на необходимом уровне содержания питательных элементов в почвах сельскохозяйственных земель. Основным методом является лабораторный анализ образцов пахотного (иногда и подпахотного) горизонта почв. В большинстве случаев данный мониторинг осуществляется частными фирмами на уровне отдельных ферм, и его результаты никак не обобщаются на национальном уровне.

Мониторинг сельскохозяйственной растительности на национальном и / или наднациональном уровнях осуществляется с целью оценки, контроля и прогнозирования производства продукции растениеводства.

Наиболее развитыми системами, функционирующими на наднациональном уровне являются следующие:

- системы USDA и USAIDFEWSNETв США;

- ФАО(GIEWS);

- европейской комиссии MARS;

- китайская система с/х мониторинга CCWS.

Перечисленные системы осуществляют сельскохозяйственный мониторинг многих стран мира. Из национальных систем наиболее развитыми являются системы мониторинга (KARS (США), GEOSYS (Франция), AGRECON (Австралия), B-CGMS (Бельгия), системы мониторинга Казахстана и Индии.

В качестве создателей и операторов систем выступают как государственные и надгосударственные органы, так и частные компании.

Большинство из перечисленных систем начали функционировать в оперативном режиме в последние 10-20 лет [3].

Объектом мониторинга является состояние посевов сельскохозяйственных культур, их плошали и степень повреждения неблагоприятными факторами. Необходимо отметить, что в некоторых системах мониторинга сельскохозяйственной растительности как объект мониторинга выступает также и влажность почв.

В качестве одного из основных источников информации, как правило, выступают данные дистанционного зондирования Земли. Необходимо отметить, что для мониторинга посевов в настоящий момент используются данные лишь низкого и среднего пространственного разрешения. Данные высокого разрешения используются в основном для определения площадей посевов на тестовых или репрезентативных участках и мониторинг на их основе не охватывает территорию страны целиком. Основной причиной этого является как экономический фактор, так и оперативность мониторинга. В отличие от мониторинга почв, анализ состояния растительности в подобных системах осуществляется еженедельно или ежедекадно, а в отдельных случаях и ежедневно.

Как показывает проведенный анализ, в мире на национальном или наднациональном уровнях на данный момент отсутствует система мониторинга сельскохозяйственных земель, которая включала бы в себя одновременно мониторинг почв и мониторинг посевов сельскохозяйственных культур. Разделение мониторинга почв и мониторинга посевов на отдельные системы обусловлено как спецификой объекта мониторинга, так и различным целевым назначением мониторинговых систем, которое выражается в особенностях их строения и функционирования. Так, мониторинг почв (не агрохимический) в большинстве стран мира ведется для экологических целей, в то время как мониторинг сельскохозяйственной растительности и агрохимического состояния почв ведется для целей сельскохозяйственного производства.

Учитывая то, что почвенный покров является основой для возделывания сельскохозяйственных культур, который во многом предопределяет потенциальный уровень их урожайности и ее пространственную вариабельность, система мониторинга сельскохозяйственных земель страны могла бы объединить в себе все три типа мониторинга: почвенный (с уточнением информации раз в несколько лет), агрохимический (с ежегодным уточнением информации) и мониторинг сельскохозяйственной растительности (с ежедневным или еженедельным уточнением информации). В этом случае система была бы наиболее эффективной, так как позволяла бы осуществлять мониторинг всех свойств земель, предопределяющих результативность сельскохозяйственного производства.



1.3 Геоинформационные Web-сервисы

Сложно подобрать определение, с достаточной точностью описывающее все те бурные процессы, которые происходят в сети Интернет с пространственными данными. Информация стремится быть найденной - это закон, в соответствии с которым online-карты с их средствами визуализации и анализа информации стали мощным стимулом к пространственной ориентации данных в информационных системах.

Модель глобального геопоиска, в которой поисковый запрос может быть построен по принципу «узнать, что здесь находится», получила общее наименование «GeoWeb», как явление еще не нашедшее отражения в русско-язычной части Википедии всемирной свободной энциклопедии.

Потенциал этой модели огромен, он оказывает влияние и на разработчиков программного обеспечения ГИС, предлагающих средства для публикации карт в глобальном информационном пространстве и создания комплексных (гибридных) сервисных приложений (mashups) с ГИС-составляющей, и на пользователей с приемниками спутникового позиционирования и фотокамерами, решившихся описать новыми средствами меняющийся окружающий мир. В том же сообществе Википедии с появлением большого числа источников online-карт был открыт проект «Географические координаты», цель которого дать координатную привязку всем статьям о географических объектах. При переходе по ссылке координаты объекта проставляются во все шаблонные ссылки на ресурсы с online-картами, представленными в глобальной системе координат.

С распространением UGC-сервисов (сервисы с контентом, создаваемым пользователями), актуальность и скорость сбора информации в которых является неоспоримым преимуществом и поводом для их использования в профессиональных источниках данных, встал вопрос модерирования информации и лицензирования прав.

Например, в случае с упомянутыми «Географическими координатами» встречным процессом должна была бы стать разметка ссылок на Вики-статьи с описанием объектов на глобальных картах. Такие проекты действительно появились, например, Wikimapia, с использованием GoogleMaps API технологии встраивания сервисов GoogleMaps в сторонние сайты и приложения. Однако часть участников Википедии не поддержала идею размещения прямых ссылок на карты Google по причине неоднозначности лицензионных прав на UGC, созданный на основе «несвободной» информации от операторов спутниковых данных поставщиков Google. С другой стороны, пользовательские возможности это никак не ограничивает сами статьи доступны в динамическом KML (KeyholeMarkupLanguage). Недавно и MicrosoftVirtualEarth/LiveMaps добавили соответствующие статьи в свою коллекционно-поисковую базу.

Рисунок 1.2 - Карта Гомеля на maps.google.com

Сервис GoogleMaps (рисунок 1.2) обеспечивает возможность просмотра карт прямо в браузерах IE (версия 6.0 и выше), Firefox (2.0 и выше) и Safari (3.1 и выше). Любая точка мира отображается на GoogleMaps с точностью до 1:25 000 на основе данных, сделанных со спутника Landsat-7. Крупные города и многие территории отображаются вплоть до масштаба 1:2000, благодаря подключению снимков компании DigitalGlobe, полученных со спутника Quickbird-2 (сервисы Google).

При просмотре можно самостоятельно выбирать, какую область, в каком масштабе и в каком режиме просматривать. Всего предусмотрено три режима просмотра: "Карта", "Спутник" и "Ландшафт". В режиме "Карта" показывается топографическая карта местности с отображением дорог, улиц и домов, в режиме "Спутник" - "сшитые" снимки местности со спутника (с возможностью их панорамирования и масштабирования), а в режиме "Ландшафт" - ландшафт местности с нанесенными названиями населенных пунктов и дорог.

Также, реализован поиск по адресу. По возможности, лучше вводить адреса в предусмотренных форматах ("улица, дом, город, область" либо "улица, дом, город, почтовый индекс"), однако нередко поиск корректно срабатывает и при меньшем наборе исходных данных.

В зависимости от местоположения пользователя, сервис Google Maps позволяет искать самые разнообразные объекты и получать о них некоторую информацию. Разрешается искать предприятия или компании, например, можно найти все пабы в Екатеринбурге, введя в строку поиска фразу вида "паб в Екатеринбурге", либо все гостиницы в Саратове ("гостиницы Саратов"). Результаты поиска можно отправить в навигационную систему автомобиля или по электронной почте.

Бесплатно предоставляя разработчикам развернутые средства для встраивания карт в web-сайты, по условию также являющиеся публичными и бесплатными, Google оставил за собой право добавления рекламного содержания. Механизмы монетизации, например, платные web-сервисы, судя по всему, играют пока гораздо менее значимую роль на этом интернет-рынке. Однако стратегические действия крупных web-картографических проектов, таких как Google и Microsoft, направлены за пределы рекламного бизнеса. Предоставляя платное API для корпоративных систем интранет и платных web-приложений с целью использования собственного функционала и данных своих поставщиков: карт местности, навигационных карт и спутниковых снимков, интернет-порталы стали конкурировать с разработчиками навигационного программного обеспечения и ПО ГИС. Конкуренция идет также на рынке разработки платформ и интеграции сервисов в сторонние мобильные и «настольные» приложения. Иллюстрацией интеграции картографических web-сервисов и приложений является, например, пара GoogleMaps/GoogleEarth. Картографическй web-сервис постепенно перенимает функциональные возможности любительской ГИС, и граница между ними размывается.

Но в начале истории этих гибридов web и ГИС находится базовая модель популярного web-сайта с интерактивной online-картой.

Путь, которым профессиональные разработчики ПО ГИС ведут геоинформационные системы в web, это путь искусственной популяризации, путь технологической адаптации ГИС корпоративных систем предприятий к массовым web-сервисам со стандартизированными web-интерфейсами, внешний вид которых говорит о насильственной ассимиляции, а попытки выполнить возложенные на них операции с привычным функционалом приводят к перезагрузкам браузера. На «серверной стороне» такой системы, основанной на фундаменте технологических решений ГИС, все хорошо обеспечено и системно интегрировано, а главное хорошо разрекламировано. Но и здесь в связи с бурным развитием web-картографии начинаются перемены, возникает конкуренция со стороны бесплатного ПО. Оказывается, например, что бесплатное ПО с открытым кодом позволяет добиваться более эффектного рендеринга (визуализации) карт, чем многофункциональные и дорогие программы редактирования.

Как видно из всего вышесказанного, картографических сервисов в сети сегодня вполне достаточно, и можно выбрать инструмент «на любой вкус и цвет». Многие из них не только позволят найти интересующую точку на карте, но и проложить маршрут из одной точки в другую. Картографический сервис, приятный «как снаружи, так и внутри», с оригинальной концепцией одной общей карты. Возможность менять цветовые схемы оформления карт наверняка придется по вкусу большинству пользователей, а привлечение всех желающих к редактированию карт позволит в достаточно сжатые сроки составить довольно точное покрытие в масштабах не только Украины, но и всего мира. Пользуясь данными сервисами, можно отправляться в автотур по Центральной и Западной Европе -- для этих областей Земли имеется достаточно детальное покрытие. Возможность поиска на разных языках, включая украинский и русский, а также поиск по организациям, делает службу практически идеальным картографическим сервисом [4].

1.4 Выводы. Основные функции систем мониторинга

Программное обеспечение для спутникового мониторинга обычно имеет ряд интерфейсов. Вход пользователей в систему мониторинга чаще всего защищён паролем для предотвращения несанкционированного доступа к информации. В системах существует определённая иерархическая структура, при которой администратор системы мониторинга управляет правами доступа различных пользователей к различным объектам мониторинга и различным функциям программы.

Самые распространённые функции, которые присутствуют в большинстве систем спутникового мониторинга:

- мониторинг текущего положения транспорта на карте;

- мониторинг состояния приборов и датчиков транспортного средства;

- создание точек интереса и геозон на карте;

- контроль перемещения из/в геозоны;

- построение графиков на основании данных системы;

- изменение иконок, отображающих объекты на карте [5].

В связи с современным большим использованием, почва становится менее плодородной, тем самым мониторинг угодий позволит эффективнее использовать ресурсы, способные повысить качество земель.

Разрабатываемое программное обеспечение предназначено для пространственного анализа обрабатываемых сельскохозяйственных угодий, являющиеся основой принятия оперативных управленческих решений, обеспечивает визуализацию данных в виде разнообразных карт различных показателей почвы, урожайности, составление аппликационных карт для внесения минеральных и органических удобрений и подкормок.



2. Технология решения задачи мониторинга

2.1 Постановка задачи

Развитие технического прогресса, заставляет внедрять современные технологии во все сферы деятельности человека. Для помощи сельхозтоваропроизводителям в современном агропроизводстве в настоящее время широкое распространение получают различные «космические» технологии на базе спутниковой навигации.

Рациональное управление земельными ресурсами призвано повысить эффективность агротехнических операций, а тем самым и урожайность. Современное сельскохозяйственное производство представляет собой сложную многофакторную задачу, требующую серьезных затрат и умения. Решение задач мониторинга и контроля параметров обрабатываемых угодий, учёта и анализа информации о статусе поля и выполняемых на нём работах, позволит оптимизировать выполняемые работы, повысить урожайность.

Свойства земель предопределяются свойствами их отдельных компонентов: климата, рельефа, почв, геологического строения, растительности и особенностями их использования. Спецификой сельскохозяйственных земель является то, что естественная растительность в большинстве случаев заменена на культурную. Таким образом, мониторинг земель подразумевает слежение за их отдельными компонентами. Говоря о мониторинге сельскохозяйственных земель необходимо учитывать, что для мониторинга климата, рельефа и геологического строения территории существуют специальные отраслевые мониторинговые системы. Поэтому непосредственно к мониторингу сельскохозяйственных земель логично отнести лишь мониторинг почв и мониторинг сельскохозяйственной растительности.

Анализируются, как правило, химические, физические, биологические, биохимические свойства почв, содержание микро и макроэлементов и основных загрязнителей. В некоторых системах попутно анализируется химический состав произрастающих на почве сельскохозяйственных растений.

Отдельно следует выделять мониторинг агрохимического состояния почв, который осуществляется во многих странах ежегодно. Целью этого мониторинга является поддержание на необходимом уровне содержания питательных элементов в почвах сельскохозяйственных земель.

На основе данной схемы предстоит разработать программное обеспечение автоматизированной системы мониторинга сельскохозяйственных угодий.

2.2 Информационная модель

Значительный парк техники и огромное количество полей и возделываемых культур требуют постоянного мониторинга. В сельском хозяйстве большое количество информации имеет геопространственную привязку, применение геоинформационных систем являются эффективным средством консолидации и обработки информации.

Принципиальная схема работы системы:

- на транспортное средство устанавливается бортовое оборудование, которое по сигналам спутников системы GPS определяет местоположение, скорость, направление движения объекта, время движения, а также контролирует состояние датчиков и записывает их в энергонезависимую память.

- собранные данные кодируются и через каналы передачи данных сети GSM и интернет поступают на диспетчерское место. Передаваемая информация включает в себя сведения о точном местоположении, текущем времени с указанием дня, месяца и года, а также кислотность почвы, содержание элементов азота, фосфора и калия. Схема представлена на рисунке 2.2.

Обмен данными между блоком управления и диспетчерским центром производится дистанционно при помощи комбинации ресурсов сетей GSM и Internet. В основе этой технологии лежит предоставление GSM-сетью услуги прямого доступа к почтовым серверам сети Internet с использованием технологии GPRS. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM.

Рисунок 2.1 - Схема движения данных

Существует несколько способов передачи данных по каналам GSM:

- SMS(ShortMessageService) - служба коротких сообщений;

- CSD(CircuitSwitchedData) - канальная передача данных(стандартный голосовой канал);

- GPRS (GeneralPacketRadioService) - пакетная передача данных по каналам CSD.

SMS - самый старый вид передачи байтов по сети беспроводного телефонного оператора. Разрабатывалась специально для передачи коротких сообщений, можно даже сказать команд - размер одной посылки не может превышать 160 символов. В случаях использовании языка, отличного от английского, количество допустимых символов снижается в два раза ввиду использования другой кодировки (одной, где на один символ тратится 2 байта, вместо другой, где на символ - 1 байт). Можно использовать при небольшом объеме и числе информационных посылок, например, раз в смену/день/сутки оператор удаленно снимает состояния датчиков системы. Особый минус - отсутствие гарантии 100-процентной доставки сообщения, что не позволяет ее использовать для оперативно-критических бизнес-приложений. Особенно это очевидно в «час-пик» - например, в первые часы нового года.

CSD. Канальный режим. Голосовой канал без участия GPRS. Режим в 90% случаев представлен в виде HSCSD технологии - высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов. Принцип работы такой: строится надежное соединение(канал) «пир-ту-пир»(точка-точка) между клиентом и базовой станцией, осуществляется передача любого объема информации. Скорость по такому каналу без мультиплексирования составляет 9600 Кбит/с. При мультиплексировании может достигать 19 200 Кбит/с и выше. Первая реализация WAP, и по сей день работает. Минус - дороговизна стоимости передачи полезной информации по каналу, плюс накладные расходы на установление соединения(от 2 до 20 секунд), причем тарификация - посекундная.

GPRS. Пакетный режим. В отличии от обычного канального (голосового), здесь используется виртуальный канал, который базируется на свободных в данный момент каналах. Ввиду того, что при передаче данных не монополизируется целый канал, тарификация идет по объему передаваемых данных. Следует учесть, что предпочтение всегда отдается голосу, т.е. если абонент пытается сделать звонок, то базовая станция выделит ему свободный канальный, если такое возможно, для реализации звонка вне зависимости используется ли он в пакетном режиме. При этом базовая станция будет искать/выжидать свободный/освободившийся, чтобы продолжить передачу данных в пакетном режиме. В такой ситуации неизбежны задержки. Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радиоэфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1--CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала. Диспетчерская станция должна иметь доступ к сети Internet для получения электронной почты [6].

Теоретически скорость передачи данных в пакетном режиме равна 170 Кбит/с. В реальности - 50-90 Кбит/с в зависимости от загрузки станции.

Такжестоитотметитьтехнологию EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution). EDGE может работать как с CSD(+HSCSD), так и GPRS. Существенное преимущество - это скорость передачи данных. В сетях GRPS может достигать до 474 Кбит/с. В реальности - зависит от множества причин и ее реализации у оператора связи.

С точки зрения обеспечения режима «реального времени» и экономии средств, способ e-mail через GPRS передачи данных является самым практичным.

Полученные данные анализируются и выдаются диспетчеру в текстовом виде или с использованием картографической информации.

2.3 Архитектура «клиент-сервер»

Технология взаимодействия, в которой одна программа запрашивает выполнение какой-либо совокупности действий ("запрашивает услугу"), а другая ее выполняет, называется технологией "клиент-сервер". Участники такого взаимодействия называются соответственно клиентом (client) и сервером (server). Достаточно часто клиентом (или сервером) называют компьютеры, на которых функционирует то или иное клиентское (или серверное) программное обеспечение.

Разрабатываемое программное обеспечениебудет использовать трёхзвенную архитектуру (рисунок 2.3). Такая архитектура включает следующие звенья:

- сервер баз данных (DB Server). БД используется для хранения всех данных приложения. В качестве сервера баз данных используется MySQL;

- сервер приложений (web-сайт);

- клиенты.

Клиентский уровень занимает броузер, на уровне сервера находится сервер БД, а на промежуточном уровне располагаются Web-сервер и программа расширения сервера. Такое архитектурное решение позволяет уменьшить сетевой трафик, делает компоненты взаимозаменяемыми и повышает уровень безопасности. Однако такая архитектура также затрудняет обработку транзакций БД ввиду природы протокола HTTP, не запоминающего состояния (этот протокол использует для передачи данных между броузером и сервером БД).

Броузер посылает Web-серверу запросы на доставку Web-страниц или данных. Web-сервер обслуживает заявки на Web-страницы, а запросы отправляет программе-расширению серверной части. Последняя принимает передаваемые ей запросы, преобразует их в форму, понятную серверу БД, и передает их серверу БД.



Рисунок 2.2 - Трехуровневая архитектура

Затем сервер БД выполняет работу по обслуживанию запроса и возвращает результат программе-расширению серверной части. Наконец та преобразует результаты в формат, приемлемый для броузера, и передает их web-серверу, а тот в свою очередь - браузеру.

Для обеспечения масштабируемости и отказоустойчивости звена сервера приложений это звено может исполняться в виде нескольких серверных инстанций. Обычно каждая инстанция запускается на отдельном узле. При подключении клиента к серверу приложений сервисная инфраструктура автоматически выбирает доступные инстанции и балансирует нагрузку между ними.

В рамках каждой инстанции исполняется определённый администратором системы набор модулей. Модули системы взаимодействуют по протоколу SOAP, поэтому могут взаимодействовать как модули, запущенные в рамках одной инстанции, так и модули разных инстанций.

Основные преимущества трехуровневой архитектуры на основе:

- высокая производительность системы;

- высокая нагрузочная способность;

- масштабируемость;

- защищенность БД от несанкционированного доступа, т.к. внешний пользователь соединяется не напрямую с базой данных;

- поддержка работы системы в режиме 24 часа 7 дней в неделю;

- поддержка сетевых протоколов: TCP IP, IPX, NamedPipes;

- активный двунаправленный обмен управляющими воздействиями между клиентом и сервером приложения [7].

2.4 Картографический сервис Google Maps

Учет сельскохозяйственных угодий и их мониторинг базируется на привязке данных полученных с бортовых терминалов техники к полю с помощью картографических сервисов, таких как yandexmap, OpenStreetMap, maps.rambler. Все они имеют собственную среду разработки для программистов.

На основе проведенного анализа, был выбран картографический web-сервис Google maps с собственной API, так как он наиболее документирован, прост в использовании, постоянно совершенствуется, имеет наиболее подробную карту не только Беларуси, но и всего мира, чего нельзя сказать о других сервисах, предоставляющих информацию об ограниченном количестве стран.

Карты Google -- набор приложений, построенных на основе бесплатного картографического сервиса и технологии, предоставляемых компанией «Google». Сервис представляет собой карту и спутниковые снимки всего мира. С сервисом интегрирован бизнес-справочник и карта автомобильных дорог, с поиском маршрутов, охватывающая США, Канаду, Японию, Россию, Гонконг, Китай, Великобританию, Ирландию (только центры городов) и некоторые районы Европы. Доступ к данным несколько ограничен навигацией и максимально упрощен. Для просмотра данных никакого специального программного обеспечения не требуется. Удобство навигации обусловлено использованием технологии AJAX, позволяющей обновлять содержимое страницы без ее перезагрузки, таким образом осуществляется изменение масштаба и перемещение по карте без каких-либо задержек.

Существует возможность использовать сервис Google Maps в качестве основы для своих сторонних сервисов. Google создали API для Google Maps с целью привлечь разработчиков к интеграции Google Maps в их веб-сайты с их геоданными.

API Карт Google предоставляет разработчикам несколько способов встраивания Карт Google в веб-страницы, с обширными возможностями по настройке. Существует несколько API Карт: для JavaScript, для Flash, API статических карт. Кроме того предлагаетсяAPIмапплетов, позволяющий создавать мини-приложения, выполняющиеся внутри Карт Google. В зависимости отпотребностей, вы можете использовать один из этих API, или их комбинацию.

Авторы и клиенты могут локально дополнять карту своими данными. Несложные команды позволяют добавить на карту собственные контуры, маркеры, интерактивные подсказки и всплывающие окна. Данные для отображения могут находиться как непосредственно в коде web-страниц, так и во внешних файлах. В систему управления поведением карты включены стандартные возможности навигации и анимации. Имеется возможность создавать тематические слои непосредственно в режиме просмотра web страницы, подобно заполнению формы.

Используя Google Maps API, возможно включить любую карту из Google Maps на внешнем сайте, управляя этой картой через JavaScript, например, для добавления маркеров географических точек, приближения или удаления при просмотре карт [8].



3. Разработка программного обеспечения

3.1 Обоснование и выбор инструментов разработки

Язык PHP

Для выполнения поставленной задачи был выбран скриптовый язык программирования динамических web-сайтов - PHP. В области программирования для Сети PHP -- один из популярнейших скриптовых языков (наряду с JSP, Perl и языками, используемыми в ASP.NET) благодаря своей простоте, скорости выполнения, богатой функциональности и распространению исходных кодов на основе лицензии PHP. PHP отличается наличием ядра и подключаемых модулей, «расширений»: для работы с базами данных, сокетами, динамической графикой, криптографическими библиотеками, документами формата PDF и т.п. Любой желающий может разработать своё собственное расширение и подключить его. Существуют сотни расширений, однако в стандартную поставку входит лишь несколько десятков хорошо зарекомендовавших себя.

PHP поддерживает работу с ODBC и большое количество баз данных: MySQL, MSQL, Oracle, PostgreSQL, SQLite и др.

Язык программирования PHP, особенно в связке с популярнейшей базой данных MySQL - оптимальный вариант для создания интернет-сайтов различной сложности.

Язык PHP постоянно совершенствуется, и ему обеспечено долгое доминирование в области языков web-программирования [9].

Сервер баз данных MySQL и web-сервер Apache

Для хранения информации выбран MySQL - быстрый многопоточный, многопользовательский надежный SQL-сервер баз данных. (SQL - язык структурированных запросов). Сервер MySQL предназначен для разнообразных систем - от маленьких сайтов до крупных интернет-проектов. Сейчас это самый распространенный сервер баз данных в сети интернет. MySQL - это система управления реляционными базами данных. В реляционной базе данных данные хранятся в отдельных таблицах, благодаря чему достигается выигрыш в скорости и гибкости. Таблицы связываются между собой, есть возможность объединять при выполнении запроса данные из нескольких таблиц.

Для работы SQL-сервера используется Apache - это самый популярный и распространенный в интернете web-сервер. Это программа, которая осуществляет прием запросов по протоколу http, их обработку и передачу посетителю сервера ответа в виде запрошенных им html-документов, картинок и файлов.

Apache настраивается через файл конфигурации (httpd.conf), в который администратор помещает инструкции, управляющие функционированием web-сервера.

Как правило, администраторы сервера не допускают программистов, создающих на сервере сайты, к настройкам httpd.conf. Тем более, невозможно это на серверах хостинговых компаний.

Но веб-программист все-таки может настроить сервер для нужд своего сайта. В Apache есть великолепная возможность децентрализованного управления конфигурацией с помощью использования специальных файлов, которые помещаются на диске прямо в веб-пространстве виртуального сервера. Эти файлы называются.htaccess (обязательно первый символ в названии файла - точка). Администратор сервера может менять имя таких файлов по своему желанию с помощью директивы AccessFileName в главном файле конфигурации, но это, как правило, не делается.

Действие директив из файла.htaccess распространяется и на подкаталоги того каталога, в котором этот файл размещен. Но если в каталоге есть свой.htaccess, то его директивы перекрывают действие директив файла из внешнего каталога. Файл.htaccess перечитывается при каждом обращении к веб-серверу, так что изменения, внесенные в этот файл, вступают в силу немедленно. Сервер не надо перезапускать, а настройки.htaccess никаким образом не затрагивают другие виртуальные сервера.

Синтаксис файлов.htaccess аналогичен синтаксису файла конфигурации httpd.conf. Однако, администратор может ограничивать с помощью директивы AllowOverride для пользователей доступ к тем или иным директивам в htaccess. Так, на хостингах, как правило, запрещают изменять с помощью.htaccess директивы категории limit - например, максимальный срок выполнения php-скриптов (30 сек.) и максимальный размер загружаемого файла (2 Мб).

Поскольку файл.htaccess является служебным, то он не должен быть доступен web-пользователю из браузера. По умолчанию сервер конфигурируется именно так, но если администратор решил переименовать.htaccess во что-то другое, то невозможность его просмотра через браузер администратору придется настраивать отдельно.

Считается, что использование файла.htaccess тормозит работу сервера и замедляет выдачу сайта пользователю. Это действительно так, но это замедление принебрежимо мало, а в сравнении с той пользой, которую приносит использование этого файла, столь ничтожным "торможением" можно и вовсе принебречь.

Ошибка в файле.htaccess вызывает код ответа 500 - InternalServerError.

На всех серьезных хостингах использование файла.htaccess разрешено, как правило, лишь с небольшими ограничениями. К сожалению, на небольших серверах в различных организациях администраторы очень любят запрещать использование.htaccess. Хотя, при грамотных настройках httpd.conf и самого.htaccess его использование совершенно безопасно и очень здорово расширяет возможности сайта.

База данных должна:

- хранить информацию о параметрах полей, их характеристиках, сведения полученых с бортового оборудования;

- быть открытой к расширению, дополнению и редактированию;

- обеспечивать получение оперативных сводок;

- обеспечивать поиск данных по заданным параметрам (номер поля, история операций, параметры сельскохозяйственных культур).

Javascript и GoogleMaps API

Для программного доступа к объектам приложений предназначен JavaScript- объектно-ориентированный скриптовый язык программирования.

JavaScript обладает рядом свойств объектно-ориентированного языка, но реализованное в языке прототипирование обусловливает отличия в работе с объектами по сравнению с традиционными объектно-ориентированными языками. Кроме того, JavaScript имеет ряд свойств, присущих функциональным языкам -- функции как объекты первого класса, объекты как списки, карринг, анонимные функции, замыкания -- что придаёт языку дополнительную гибкость.

Для взаимодействия JavaScript с картами Google создали API для Google Maps с целью привлечь разработчиков к интеграции Google Maps в их web-сайты с их геоданными. Это бесплатная служба, на сегодняшний день, не содержащая рекламы.

Используя Google Maps API, возможно включить любую карту из Google Maps на внешнем сайте, управляя этой картой через JavaScript, например, для добавления маркеров географических точек, приближения или удаления при просмотре карт.

Для российских разработчиков отличительной особенностью Google Maps API от других аналогичных служб является то, что Google Maps и Google Maps API позволяют находить поселения на территории России по их русским названиям.

Для связи между Google Maps и php используется AJAX - подход к построению интерактивных пользовательских интерфейсов web-приложений, заключающийся в «фоновом» обмене данными браузера с web-сервером. В результате, при обновлении данных, web-страница не перезагружается полностью и веб-приложения становятся более быстрыми, удобными и динамчными.

Использование AJAX позволяет значительно сократить трафик при работе с web-приложением благодаря тому, что часто вместо загрузки всей страницы достаточно загрузить только изменившуюся часть, как правило, довольно небольшую. AJAX позволяет несколько снизить нагрузку на сервер. Поскольку нужно загрузить только изменившуюся часть, пользователь видит результат своих действий быстрее.

3.2 Общая структура

При входе в разработанное ПО (блок 1) появляется окно, в котором отображается подключённый картографический web-сервис googlemaps. А также отображается список сельскохозяйственных угодий. При выборе одного из них (блок 2) происходит отображение его на карте и выводится информация о характеристиках поля. Изображения поля характеризуется обрисовкой его контуров (блок 3). При выборе аппликационной карты происходит разбиениеполя на сетку квадратов равной величины(блок 4).

В блоке5происходит вывод информации о выбранном угодии. Также предусмотрена кнопка «История»,по нажатию на которую выводится история всех операций на данном поле за весь период времени (блок 6).