ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы – выявление пространственно-временных показателей степени антропогенного влияния на почвенный покров. Он опирается на использование разработок коллектива: открытую вычислительную систему «Почвенно-географическая база данных России», Электронный атлас почв Ростовской области, а также ряд оригинальных технологий и методов. Цель проекта – выявление антропогенной динамики почвенного покрова на основе разработанных индикаторов. В предлагаемом проекте будут использованы имеющиеся многолетние архивы результатов регулярных крупномасштабных почвенных обследований, что предоставляет уникальную в мировом масштабе возможность мониторинга динамики почвенного покрова в условиях антропогенной нагрузки. На базе пилотного региона в Ростовской области будет создана информационная система, объединяющая почвенно-географические базы данных различных организаций и ведомств. Качественное и количественное зонирование территории будет проведено с указанием основных антропогенных факторов и выявлением пространственной и временной динамики состояния почвенного покрова. Будут предложены алгоритмы и модели вычисления динамических показателей антропогенного воздействия и на этой основе впервые создана библиотека методов интеллектуального анализа. Высокая степень технической и технологической готовности предлагаемого проекта, наличие фундаментальных работ позволяют ожидать результатов, сопоставимых с мировым уровнем и превышающих его.

Research of anthropogenic dynamics of the soil cover on basis of data mining

На базе пилотного региона общей площадью 1 млн га будет создана информационная система почвенно-географических данных, включающая разновременные и разномасштабные материалы, и проведено качественное и количественное зонирование территории с указанием основных антропогенных факторов и выявлением пространственной и временной динамики состояния почвенного покрова. В состав исследуемого региона войдут 3 района Ростовской области (Матвеево-Курганский, Зерноградский и Заветинский), принадлежащие к различным почвенно-географическим зонам – степной, сухостепной, полупустынной. Для работы будут привлечены данные территориальных агрохимцентров Ростовской области, региональных систем (Минсельхоз, Лесное хозяйство, Природоохранный комитет), центральной ПГБД России, почвенные карты 1939-1990 годов масштабов от 1:25000 до 1:2500000 (2015 г.). На основе результатов планируемых полевых работ в исследуемом регионе будет проведена верификация и коррекция параметров ГИС-модели изменения почвенных показателей под влиянием антропогенной нагрузки. Для Матвеево-Курганского и Зерноградского районов такими показателями являются содержание гумуса (органического углерода), плотность почвы и мощность гумусового горизонта. Для Заветинского района основные исследуемые показатели – степень опустынивании, гигроскопическая влажность и засоленность почв (2015 г.). На основе использования разномасштабной информации векторных карт, точечных эмпирических данных, актуальной статистической информации и нелинейной модели круговорота углерода NAMSOM будет разработан алгоритм оценки изменения запасов почвенного органического углерода различных по структуре и составу почвенного покрова степного, сухостепного и полупустынного регионов Ростовской области (2015-2016 г.). Для территории России будут разработаны принципы построения многоуровневых информационных систем накопления и анализа почвенно-географических данных различных организаций и ведомств, архивных и современных, а также принципы информационного обмена между этими системами (2015 г.). Наличие многолетних архивов результатов регулярных крупномасштабных почвенных обследований предоставляет уникальную в мировом масштабе возможность мониторинга динамики почвенного покрова в условиях антропогенной нагрузки. Будут разработаны о опробованы принципы накопления, фильтрации и экспертной оценки данных с учетом изменений за длительный период времени почвенных классификаций и методов анализа почвенных данных, а также таких особенностей естественно-природных данных, как многомерные разреженные массивы (неполнота) данных, неточность временных и пространственных данных, наличие, наряду с числовыми, интервальных и категорийных показателей (2015 г.). Будут предложены принципы агрегирования, структурирования и выявления закономерностей, характерные для задач «больших данных» (big data) (2016 г.). Будут предложены алгоритмы и модели вычисления динамических и пространственных показателей площади, характера и степени антропогенного воздействия и на этой основе впервые создана библиотека методов интеллектуального анализа (2016-2017 гг.).

1 этап. 2015 г. Для решения заявленных задач – выявления пространственно-временных показателей степени антропогенного влияния на почвенный покров, определения набора индикаторов антропогенной динамики, в летний сезон 2015 г. была организована и проведена экспедиция в Зерноградский район Ростовской области. Исследовали почвенный покров памятников природы регионального значения «Хороли» и «Разнотравно-типчаково-ковыльная степь» с минимально антропогенно-измененными и залежными вариантами основных почв региона – черноземов обыкновенных карбонатных. В ходе полевых работ была проведена частичная корректировка границ участков, заложены и описаны почвенные разрезы в автоморфных позициях под степной растительностью, даны морфологические описания почвенных профилей, отобраны образцы для аналитических исследований. Начались лабораторные исследования образцов. К настоящему времени определены: объемная масса почвенных горизонтов, содержание гигроскопической влаги, гранулометрический состав почв, содержание органического углерода, валовой состав макро- и микроэлементов. В рамках развития и обеспечения функционирования Информационной системы ПГБД РФ скорректирован список показателей, методов и единиц измерения атрибутов ПГБД. Преобразована структура программы наполнения БД. Начата работа по гармонизации данных региональных БД и общероссийской ПГБД. На прототипе распределенной информационной системы ПГБД – копиях СУБД, размещенных в агрохимцентрах "Ростовский" и "Белгородский", был отработан ряд алгоритмов пространственного анализа и запросов. Продолжены работы по созданию алгоритмов реализации оценки пригодности почв под угодья и сельскохозяйственные культуры, пригодности земель для целей орошения и осушения, для других практических задач на основе крупномасштабных материалов ПГБД РФ. ПГБД РФ была представлена в качестве действующего прототипа национального датацентра России на заседании представителей о создании сети национальных почвенных датацентров – отдела Р4 программы глобального почвенного партнерства в ФАО (РИМ, 2015). 2 этап. 2016 г. В 2016 г. было продолжено развитие Информационной вычислительной системы «Почвенно-географическая база данных Российской Федерации» (ИС ПГБД) и наполнение ПГБД новыми данными, которые аккумулированы на настоящий момент на сервере МГУ имени М.В.Ломоносова и сервере Южного Федерального Университета. Для обеспечения сопоставимости почвенных данных при информационном обмене в формате XML разработана XSD-схема описания данных и серия программ, позволяющих осуществлять автономный сбор данных в этом формате. Проводились работы по технологии фильтрации вводимых данных. Опробована схема динамического расчёта реестра почв районов Ростовской области. Векторизация архивных почвенных карт сопровождается дизагрегацией легенд, что позволяет использовать отдельные таксоны (совместно с другими почвенными показателями, в том числе и из других источников) в автоматическом расчёте кадастровой оценки земель сельскохозяйственного назначения в соответствии с современной методикой. В рамках работы по гармонизации данных в 2016 г. проводился эксперимент по информационному обмену между различными почвенными дата-центрами с целью разработки стандартов обмена почвенными данными. Участниками эксперимента являлись почвенные дата-центры МГУ, ЮФУ, агрохимцентры «Ростовский» и «Белгородский». Показана возможность сбора разнородной почвенной информации для заданных территорий и проведения расчётов почвенных показателей в реальном масштабе времени на распределённой сети почвенных дата-центров. 3 этап. 2017 г. На основе ИС ПГБД РФ создана и функционирует распределённая сеть, включающая в качестве локальных почвенных дата-центров, наряду с ПГБД, агрохимцентры «Ростовский», «Белгородский» и Южный Федеральный университет (ЮФУ), являющиеся держателями цифровых данных мониторинга плодородия и архивных почвенных обследований. ИС ПГБД в качестве координатора обеспечивает функционирование сети, разработку и распространение соответствующих международному уровню стандартов описания, хранения, представления и обмена почвенной информацией за счёт использования специализированных программ, адаптированных к региональным особенностям. Совместно с коллегами из различных российских организаций подготовлена карта на территорию России в рамках создания Всемирной карты запасов органического углерода в 30-см слое почвы – Global Soil Organic Carbon Map (GSOCmap), итоговая версия которой размещена на сайте ФАО ООН – http://www.fao.org/global-soil-partnership/pillars-action/4-information-and-data/global-so il-organic-carbon-gsoc-map/en/. В состав мировой карты GSOC17 карта России вошла в виде суммы трёх слоёв (минеральной части и органической, включающей слои подстилки и оторфованных горизонтов). Карта представляет собой результат работы исследователей из различных стран по проекту GSOC17 Глобального почвенного партнерства (Global Soil Partnership). Создана «Подсистема расчёта нормативной урожайности зерновых культур в Информационной системе ПГБД РФ» (http://gis.soil.msu.ru/soil_db/assessment/), являющаяся реализованным примером автоматизированного извлечения знаний из накопленных и организованных данных (Data Mining). Величина нормативной урожайности зерновых культур лежит в основе определения кадастровой оценки земель сельскохозяйственного назначения в соответствии с «Методическими указаниями по государственной кадастровой оценке земель сельскохозяйственного назначения». Оценка осуществляется онлайн на основе доступных данных, хранящихся в региональных дата-центрах, структурно входящих в распределённую ИС ПГБД РФ. В задачу подсистемы входит сбор всей необходимой информации для заданного пользователем участка от нескольких дата-центров, расчёт «на лету» коэффициентов и границ элементарных участков, наложение на картографическую основу и формирование итоговых таблиц. Выбор географических координат для расчёта, а также прорисовка контуров границ поля, хранящихся в базе данных, осуществляется с помощью внедрённого в веб-страницу YandexMap API. Территория возможных расчётов – Ростовская область. Создана также мобильная версия сайта (http://gis.soil.msu.ru/soil_db/mobile/assessment/).