Моделирование системы земледелия

РОССИЙСКАЯ  ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО  СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ФГБОУ ВПО

«ОРЛОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ   
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра математики

 

ЗАЧЕТНАЯ РАБОТА

по дисциплине

Математическое  моделирование и проектирование.

на тему: «Моделирование системы земледелия».

                                    

 

 

                                                                  Выполнила: магистрант 

                                                                  1 курса направления 

                                                                  Агрохимии и агропочвоведении

                                                                  Кобылкина Елена Ивановна    

                                                                   Проверила: ст. преподаватель  

                                                                  Карнюшкина Татьяна Владимировна

 

 

 

Орел  2012

Содержание 

Введение

Глава 1. Моделирование системы земледелия.

Глава 2. Разработка моделей системы земледелия.

Глава 2.1. Основные  этапы работ по созданию информационной основы для проектирования систем земледелия с применением ГИС-технологий.

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

  Математическое  моделирование – это идеальное научное знаковое формальное моделирование, при котором описание объекта осуществляется на языке математики, а исследование модели проводится с использованием тех или иных математических методов. Моделирование теснейшим образом связано с проектированием. Обычно сначала проектируют систему, потом её испытывают, потом снова корректируют проект и снова испытывают, и так до тех пор, пока проект не станет удовлетворять предъявляемым к нему требованиям. Процесс «проектирование-моделирование» цикличен. При этом цикл имеет вид спирали — с каждым повтором проект становится все лучше, так как модель становится все более детальной, а уровень описания точнее. Модель, выполненная с учётом возможности её модернизации, конечно, имеет недостатки, например, низкую скорость исполнения кода. Но есть и неоспоримые достоинства. Видна и сохранена структура модели, связи, элементы, подсистемы. Всегда можно вернуться назад и что-то переделать. Сохранен след в истории проектирования модели (но когда модель отлажена, имеет смысл убрать из проекта служебную информацию). В конце концов, модель, которая сдаётся заказчику, может быть оформлена в виде специализированного автоматизированного рабочего места (АРМа), написанного уже на языке программирования, внимание в котором уже, в основном, уделено интерфейсу, скоростным параметрам и другим потребительским свойствам, которые важны для заказчика. АРМ, безусловно, вещь дорогая, поэтому выпускается он только тогда, когда заказчик полностью оттестировал проект в среде моделирования, сделал все замечания и обязуется больше не менять своих требований. Моделирование является инженерной наукой, технологией решения задач. Это замечание — очень важное. Так как технология есть способ достижения результата с известным заранее качеством и гарантированными затратами и сроками, то моделирование, как дисциплина:

• изучает способы решения задач, то есть является инженерной наукой;
• является универсальным инструментом, гарантирующим решение любых задач, независимо от предметной области.

Смежными моделированию  предметами являются: программирование, математика, исследование операций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Моделирование системы  земледелия.

Становление адаптивно-ландшафтного земледелия сопряжено с развитием  математического моделирования, созданием  информационно-советующих систем, широким  использованием компьютерной техники. Разработка моделей земледелия на всех уровнях будет способствовать выбору оптимального решения товаропроизводителями  и формированию обоснованной инвестиционной политики. 
Математические модели в первую очередь должны строиться на основе изучения взаимодействия природных условий и различных факторов интенсификации производства в системах длительных многофакторных опытов. 
В качестве примера такого подхода можно привести некоторые результаты моделирования систем земледелия в зависимости от ресурсного потенциала хозяйства, выполненного в системе линейного программирования по результатам многофакторных экспериментов в северной лесостепи Новосибирского Приобья. Показано, в частности, что при ограниченности агрохимических ресурсов наибольший выход продукции достигается, когда их используют под кормовые культуры. Повышение урожайности кормовых растений позволяет сократить площадь пашни под ними и затраты на перевозку продукции. Одновременно возрастает производство зерна в результате расширения зернопарового клина, несколько увеличивается доля пара. При дальнейшем повышении уровня обеспеченности пашни агрохимическими ресурсами доля чистого пара уменьшается вплоть до полного исключения под яровые культуры. По мере возрастания обеспеченности удобрениями и гербицидами на выщелоченном среднесуглинистом черноземе становится возможной замена отвальной вспашки безотвальной обработкой, а затем мелкой плоскорезной; нормы высева семян зерновых культур снижаются, сроки посева сдвигаются на более ранние. На этом примере можно представить размеры упускаемой выгоды вследствие неадекватности систем земледелия уровням обеспеченности агрохимическими ресурсами из-за незнания или недооценки многообразных системных связей, которые позволяет выявить моделирование. 
Модели земледелия должны быть дополнены оценками устойчивости продуктивности, а также элементами прогнозирования агроклиматических ресурсов в виде трендов параметров погоды, прибавляемых к фактическим показателям многолетних рядов. 
Перспектива развития моделирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия в большой мере связана с разработкой динамических моделей управления продукционным процессом в агроценозах и регулирования плодородия почв, поскольку для оптимального роста и развития растений необходимо определенное сочетание не только свойств почв, но и конкретных режимов (влаги, элементов питания и др.) и процессов, развивающихся во времени и совпадающих с потребностью растений в тех или иных факторах жизни в различные фазы развития. Важнейшее условие регулирования такой сложной системы, как растение-почва-атмосфера в режиме энергосбережения и сохранения экологического равновесия, - неукоснительное соблюдение принципа лимитирующего фактора.

 

 Моделирование системы  земледелия. b3i (b4i) – вектор минимального (максимального) внесения действующего  вещества под культуру i, тонн д.в./га А5 – матрица содержания действующего вещества в каждом удобрении, тонн д.в./т (столбцы = виды удобрений) а6 (а7, а8) – векторы затрат оборотных средств в растениеводстве (животноводстве, на приобретение удобрений) в период их наибольшего дефицита, тыс.руб./га (тыс.руб./гол., тыс.руб./т). b5 – размер оборотных средств в период их наибольшего дефицита (учитывая возможности получения кредита), тыс. руб. Существуют и другие постановки этой задачи (с оптимизацией рационов, кредитов, использования труда и т.п.). А3 – матрица выхода кормов, т/га (столбцы = культуры) A4 – матрица потребности животных в кормах т/гол.основного стада (столбцы = виды животных) b2 – вектор скотомест для содержания основного стада животных, гол. Математическое моделирование и проектирование – © Н.М. Светлов, 2010. 20.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Разработка моделей  системы земледелия.

Модель — способ замещения реального объекта, используемый для его изучения. Процесс моделирования есть процесс перехода из реальной области в виртуальную (модельную) посредством формализации, далее происходит изучение модели (собственно моделирование) и, наконец, интерпретация результатов как обратный переход из виртуальной области в реальную. Этот путь заменяет прямое исследование объекта в реальной области, то есть лобовое или интуитивное решение задачи. Итак, в самом простом случае технология моделирования подразумевает 3 этапа: формализация, собственно моделирование, интерпретация (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Процесс моделирования (базовый вариант)

 

Исходя из того, что потенциальные  возможности сельскохозяйственных растений реализуются при условии  полного обеспечения их потребностей в солнечной энергии, воде, макро   и  микроэлементах с природными возможностями среды произрастания, то при дифференцировании земель необходимо учитывать как геоморфологические особенности, так  и  климатические параметры ландшафта  и  даже конкретной местности.

Воронежским НИИСХ им. В.В. Докучаева  разрабатываются модели системы земледелия разного иерархического уровня. Ведется разработка региональной модели  и  ее базовых элементов: структуры посевных площадей, севооборотов, рациональных приемов обработки, доз  и  способов внесения удобрений  и  локальных моделей, где могут встречаться разные агроэкологические группы земель. Разработка  системы   земледелия  должна быть индивидуальной для каждого хозяйства. Это требует учета большого количества сопряженных факторов, анализа разноплановой информации о землепользовании. Учет  и  обработка всех необходимых данных о ландшафте, в свою очередь, ведет к увеличению объемов вычислений. Для того чтобы получить несколько вариантов  системы   земледелия, количество вычислений возрастает в несколько раз. Однако неразумно загружать творчески мыслящего человека огромной однообразной работой, связанной с вычислениями каких либо параметров или количественных характеристик. В то же время не рационально загружать специалиста утомительными расчетами при разработке проекта  системы   земледелия, где не требуются глубокие знания. Именно эту рутинную часть процесса  проектирования  целесообразно переложить на электронно-вычислительную машину. Методы компьютерных технологий позволяют автоматизировать составление расчетной  и  технологической документации, облегчить поиск необходимой информации.  Проектирование   системы   земледелия  с помощью информационных технологий – это, по сути, создание компьютерной модели агроэкосистемы. Модель при этом создает некий образ оригинала, его прототип. Важно не просто построить модель, важно, чтобы она адекватно отображала все происходящие процессы в агроэкосистеме, а расчетные параметры на выходе отвечали заданной цели: не ухудшали природную среду, давали экономический эффект, противостояли деградации почвы. Компьютерные технологии, позволяющие смоделировать процесс, являются инструментом для правильного принятия решений по управлению агроэкосистемой, способствуют выбору экономически эффективного  и  экологически безопасного проекта  системы   земледелия  из нескольких альтернативных вариантов. Адекватная компьютерная модель способна дать прогноз поведения агроэкосистемы  и  позволит заменить дорогостоящие, а порой просто недопустимые эксперименты с экосистемой.

В настоящее время на рынке информационных технологий недостаточно программных  продуктов, позволяющих автоматизировано создавать компьютерные модели даже самых важных процессов, происходящих в агроландшафте. Задачи, которые можно решить с помощью компьютерного  моделирования, могут быть различными: например, разработка оптимальных параметров конструкции водозадерживающего вала для конкретного участка местности, расчет структуры посевных площадей с учетом экономической программы деятельности предприятия, технологическому процессу или отдельному агроприему  и  т. п., до полноценной  системы   земледелия. От важности  и  необходимости решения задачи, стоящей перед разработчиком  системы   земледелия, будет зависеть структура модели  и  сложность программы.

Программный продукт автоматизированного   проектирования   систем   земледелия  по нашему представлению должен содержать нормативно-справочную базу, всеобъемлющую информацию о хозяйстве  и  два блока:

1) мониторинг почв  и  меры по повышению плодородия;

2) организация технологического  процесса.

Блок «Мониторинг почв  и  меры по повышению плодородия» структурно разделен на 3 подпрограммы: подпрограмма – противоэрозионные мероприятия; подпрограмма – агрохимическое обследование; подпрограмма – мелиорация земель; подпрограмма – составление электронных карт (можно использовать приложения MapInfo, ArcView, Ergas Imaging  и  подобные).

Блок «Организация технологического процесса» разделен на 3 уровня: 1) подготовка технологического процесса; 2) адаптация  технологического процесса; 3) завершение технологического процесса. Каждый уровень  разделен на подпрограммы.

Одной из главных задач  земледелия  является правильное размещение в пространстве возделываемых культур, лесных полос, линейных рубежей простейших гидротехнических сооружений, выбор направления движения агрегатов на поле  и  т. д. От того, насколько правильно в противоэрозионном отношении проведено землеустройство хозяйства, размещены поля севооборотов, насколько верно запроектированы все линейные элементы территории, правильно выбраны направления движения машинно-тракторных агрегатов, во многом зависит экологическая обстановка малых  и  больших водосборов.

Агротехнологии, построенные на законах  экологического  земледелия   и  выявленных закономерностях, направленные на получение максимального урожая, должны не допускать деградации почвы, а наоборот, увеличивать ее плодородие. Проект адаптивно-ландшафтной  системы   земледелия  предусматривает оптимизацию не только структуры сельскохозяйственных угодий, но  и  размещение рубежей полей севооборотов, лесных насаждений, разработку агротехнологий в межрубежных пространствах, обеспечивающих устойчивость агроландшафта  и  снижение эрозионных процессов. В результате игнорирования противоэрозионной агротехники на пашне могут начаться интенсивный смыв почвы. В данном случае эрозионные процессы, вызванные стоком талых вод, могут сделать бесполезными затраты на создание противоэрозионных лесонасаждений  и  гидротехнических сооружений. Проектирование  устойчивых агроландшафтов, где бы смыв почвы с пашни не превышал допустимых значений, привело к необходимости  моделирования  этих процессов на ПЭВМ. Интенсивное ведение  земледелия  в последние годы предъявляет повышенные требования к земельным массивам  и  почвенному покрову. Исследованиями установлено, что возделывание сельскохозяйственных культур на средне- и сильносмытой пашне не экономично по биоэнергетической эффективности. В этом случае целесообразнее будет найти более лучший вариант использования угодий.

2.1. Основные  этапы работ по созданию информационной основы для проектирования систем земледелия с применением ГИС-технологий.

1.Обширная и разноплановая информация  об экологических условиях хозяйства  обобщается, структурируется и визуализируется  в виде цифровой модели местности  (ЦММ) - многослойной тематической  карты хозяйства, содержащей слои: топография с нанесенными на  нее изолиниями рельефа, литологическая  карта, геоботаническая карта,  почвенная карта, схема существующего  землеустройства. База данных  каждого слоя имеет геометрический  и атрибутивный блоки. Геометрический  блок БД слоя «Почвы», например, содержит электронную карту почвенного  покрова хозяйства. Полями атрибутивной  БД являются следующие основные  показатели: мощность пахотного  слоя, содержание гумуса, гранулометрический  состав почв, степень кислотности,  уровень питательного режима (содержание NPK) и т.д., – всего более 30 признаков.

2. Создается электронная карта  структур почвенного покрова  или карта элементарных ареалов  агроландшафта, она же карта  видов земель. Атрибутивная база  данных такой карты содержит  информацию о наличии лимитирующих  факторов в ЭАА, рациональном  способе использования (набор  сельскохозяйственных культур, тип  севооборота, тип угодья), мероприятиях  по улучшению данных видов  земель. Основным критерием для  последующей автоматизированной  группировки ЭАА является их  принадлежность к типу земель. Классификация типов земель должна  быть определена заранее на  основе изучения геоморфологического  профиля на территории хозяйства  или следует использовать разработанные  в НИИ классификации земель  для данного природно-сельскохозяйственного  района. При общности перечисленных  характеристик виды земель объединяются  в агроэкологические типы земель, и создается новый слой с соответствующей картой «Типов земель».

3. Далее на фоне карты типов  земель организуется новый слой  «Производственные участки», который  может быть получен путем цифрования  существующего землеустройства  или созданием новых полей  в соответствии с границами  типов земель, выделенных в результате  агроэкологической оценки.

4. Осуществляется определение продуктивности  почвенного покрова полученных  участков применительно к основным  сельскохозяйственным культурам,  выращиваемым в конкретном хозяйстве.  Распределение урожайности в  пространстве отражается в виде  ГИС-картограмм урожайности культур.