Проблемы оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия с использованием алгоритмов ИИ
Проблемы оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия с использованием алгоритмов ИИ
Аннотация
Актуальность исследования проблем оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов обусловлена возросшей необходимостью обеспечения устойчивого сельскохозяйственного производства в условиях рискованного земледелия, характеризующегося высокой изменчивостью климатических и водных ресурсов.
Объектом исследования являются теоретические и прикладные знания в области интеграции искусственного интеллекта в аграрное производство.
Материалы и методы включали обоснование методики отбора релевантных научно-технических и патентных источников, их анализ с критическим разбором с акцентом на методики проведения мониторинга, используемые алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ), проблемы внедрения в сельскохозяйственное производство и нормативные ограничения.
В ходе исследования показано, что современные методы оперативного мониторинга с использованием средств ИИ и нейросетевых технологий позволяют существенно повысить точность и оперативность оценки состояния орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия. В условиях рискованного земледелия особое внимание должно уделяться мониторингу мелиоративного состояния земель и предотвращению деградационных процессов, что влияет на устойчивость и продуктивность агрофитоценозов. Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с обработкой получаемых изображений методами глубокого обучения для мониторинга и управления водным режимом, почвенно-химическими характеристиками и продуктивностью агроценозов, позволяет выявлять дефекты развития растений, стрессовые состояния и патологические изменения. Основными ограничениями современных систем остаются требования к качеству и объему исходных данных, необходимость адаптации алгоритмов ИИ к локальным региональным условиям, а также все еще высокая стоимость внедрения и поддержки технологий.
В процессе совершенствования агроэкологического мониторинга необходима разработка гибридных систем, объединяющих спутниковые и БПЛА-данные, локальные сенсоры и климатическую информацию для более комплексного и адаптивного управления орошением в рискованных условиях. Это позволит повысить экономическую эффективность аграрного производства, снизить затраты на ресурсы и добиться устойчивого высокопродуктивного земледелия с соблюдением экологических норм и стандартов возможность оперативной корректировки агротехнических мероприятий.
1. Введение
Актуальность исследования проблем оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов обусловлена возросшей необходимостью обеспечения устойчивого сельскохозяйственного производства в условиях рискованного земледелия, характеризующегося высокой изменчивостью климатических и водных ресурсов. Основной целью агроэкологического мониторинга является создание высокоэффективных и экологически сбалансированных агроценозов на основе рационального использования и расширенного воспроизводства природно-ресурсного потенциала, включая влияние природных и агротехнических факторов на длительную динамику агрохимических свойств, а также оценку экономико-экологической эффективности адаптивных технологий
, .В условиях рискованного земледелия ключевым фактором стабилизации и повышения продуктивности агроэкосистем является орошение. Однако эффективное использование водных ресурсов требует оперативного и точного контроля состояния агрофитоценозов. В последнее десятилетие активное внедрение методов искусственного интеллекта (ИИ) в аграрную сферу открывает новые возможности для автоматизации и повышения точности оперативного мониторинга, особенно в условиях, где традиционные методы оказываются недостаточно эффективными
, .Методология организации агроэкологического мониторинга, представляющая собой систему наблюдений за динамикой состояния агроэкологических систем, как компонента биосферного мониторинга, разрабатывается в РФ с конца прошлого века
. Научная методология мониторинга позволяет определить оптимальные в экологическом аспекте системы внесения удобрения, а также оценивать роль компонентов систем земледелия в комплексном воздействии на окружающую среду. Проводимые полевые исследования были направлены на отработку локальных индикаторов для характеристики состояния почвенного плодородия, что гарантировало применение экологически оправданных доз удобрений для оптимального питания растений с учетом почвенно-климатических условий. Сравнение динамики изменения агрохимического состояния почв по результатам агрохимического обследования с данными длительных полевых опытов обеспечивает объективную оценку эффективности современных агротехнологий , .Обзор зарубежных и российских исследований подтверждает развитие методов ИИ и дистанционного зондирования для поддержки решений по управлению орошением, однако сохраняется ряд нерешенных проблем. Среди них — адаптация алгоритмов к условиям климатической нестабильности, высокие требования к качеству и объему данных, а также дефицит интеграции междисциплинарных подходов. Российские работы подчеркивают значимость создания локализованных моделей, учитывающих особенности регионального риска и агроэкологических условий
, , , .В связи с этим целью настоящего исследования является анализ ключевых проблем оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов с использованием ИИ в условиях рискованного земледелия и выявление перспективных направлений развития технологий для повышения устойчивости аграрных систем. Задачи исследования включают систематизацию современных методов и алгоритмов ИИ, оценку их применимости и ограничений в условиях нестабильных климатических факторов и ограниченных ресурсов, а также формулировку рекомендаций для практического внедрения.
Таким образом, исследование направлено на расширение теоретических и прикладных знаний в области интеграции искусственного интеллекта в аграрное производство, с акцентом на повышение эффективности управленческих решений в орошаемом земледелии при рисковых условиях.
2. Методы и принципы исследования
Для выполнения аналитического обзора, отвечающего принципам объективности, структурированности и комплексности и обеспечивающего выявление пробелов в исследуемой области мониторинга орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия. Это обеспечивает формирование рекомендаций для проведения дальнейших научных исследований. В процессе методического обеспечения мониторинга реализованы следующие этапы
, , :1. Определение ключевых слов и терминов.
На первом этапе формировался набор ключевых слов и терминов, максимально отражающих тематику исследования, в том числе «оперативный мониторинг орошаемых агрофитоценозов», «искусственный интеллект в сельском хозяйстве», «рискованное земледелие и ИИ», «патентный анализ в агротехнологиях» и пр.
2. Поиск литературы в специализированных базах данных.
Использовались международные (Scopus, Web of Science, IEEE Xplore, Google Scholar), а также российские научные базы (eLIBRARY, CyberLeninka и др.). Для поиска патентной информации — Роспатент, Espacenet, WIPO Patentscope. При этом осуществлялся предварительный отбор и фильтрация списка научных публикаций и патентов.
Фильтрация документов осуществлялась по релевантности и качеству (высокий импакт-фактор журнала, цитируемость, статус авторов, полнота текста) и исключался дублирующий контент. В качестве критериев отбора статей принимались актуальность (публикации за последние 5–7 лет); язык публикации — преимущественно английский и русский; наличие полного текста. Для патентов — полнота описания и дата выдачи.
3. Систематизация и анализ литературы
В процессе анализа публикаций проводился подробный критический разбор выбранных источников с акцентом на методики проведения мониторинга, используемые алгоритмы ИИ, проблемы внедрения и нормативные ограничения.
3. Основные результаты
Отечественные учёные на протяжении многих десятилетий вносят значительный вклад в разработку теоретических и прикладных основ повышения почвенного плодородия. В фундаментальных научных работах В.Р. Вильямса
, Н.А. Димо , А.Г. Дояренко и других классиков отечественной агрономии были заложены основы рационального использования почвенного потенциала, включая севообороты, органическое земледелие и агротехнические приёмы, способствующие накоплению гумуса и улучшению структуры почвы. В последующие годы исследования В.П. Казаринова , Г.А. Лапина , А.И. Попова и других позволили развить представления о динамике плодородия и разработать научно обоснованные системы агротехники, адаптированные к конкретным природно-климатическим условиям. Особое внимание уделялось формированию устойчивых агроценозов, в которых повышение урожайности достигается не за счёт экстенсивного применения химических средств, а за счёт оптимизации биологических процессов в почве.Мониторинг агрофитоценозов является важнейшим элементом рационального управления сельскохозяйственными ресурсами, особенно в условиях рискованного земледелия с его повышенной климатической и гидрологической нестабильностью.
Агроэкологический мониторинг представляет собой систему непрерывных и комплексных наблюдений за состоянием земель и агроэкосистем с целью рационального использования почвенных ресурсов и сохранения их плодородия. В отличие от традиционных почвенных и агрохимических исследований, мониторинг обеспечивает более широкую, интегрированную оценку состояния земель и процессов, происходящих в агрофитоценозах, что особенно важно в условиях изменяющегося климата и ограниченного влагообеспечения.
Особое значение в мониторинге орошаемых агроценозов приобретают дистанционные методы, включая спутниковые снимки и аэрокосмическую съемку с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эти технологии позволяют оперативно оценивать состояние посевов, выявлять зоны повреждений, рассчитывать вегетационные индексы (например, NDVI), что способствует более точному прогнозированию урожайности и своевременному принятию агротехнических решений. Применение БПЛА обеспечивает высокое разрешение графических данных и гибкость мониторинга в зависимости от времени и условий съемки, что особенно важно для адаптации технологий к специфике рискованного земледелия
, .В рамках теоретических основ следует выделить ключевые процессы, влияющие на состояние оросительных систем и агрофитоценозов: деградация почв, нарушение водно-солевого баланса, антропогенное воздействие, изменение почвенной реакции и др. Агроэкологический мониторинг позволяет выявлять и прогнозировать эти процессы, что даёт основу для разработки технологий восстановления и оптимизации водных режимов в условиях лиманного и других видов орошаемого земледелия
.Появление и развитие методов ИИ в последние годы существенно расширяет возможности моделирования и анализа многомерных данных, поступающих с различных сенсоров. ИИ-алгоритмы способствуют не только обработке больших массивов данных, но и повышению точности прогнозов состояния агрофитоценозов и выявлению скрытых взаимосвязей между экологическими и технологическими факторами. Это открывает перспективы создания адаптивных систем управления орошением, способных самостоятельно регулировать водоподачу с учётом изменения условий среды и состояния растений
.Таким образом, теоретические основы мониторинга в рискованных условиях земледелия строятся на интеграции агроэкологических принципов, современных методов дистанционного зондирования и интеллектуального анализа данных, что создаёт комплексную основу для устойчивого управления ресурсами и повышения продуктивности орошаемых агрофитоценозов.
Оперативный мониторинг орошаемых агрофитоценозов является ключевым инструментом для обеспечения устойчивого и эффективного земледелия в условиях риска, связанных с климатической изменчивостью и ограниченными ресурсами. Современные методы охватывают сочетание традиционного полевого контроля, дистанционного зондирования и интеллектуальных технологий обработки данных.
Основные методики мониторинга включают:
Рисунок 1 - Применение БПЛА для оперативного мониторинга орошаемых агрофитоценозов
3. Полевые измерения и мониторинг почвенно-водного режима с применением сенсоров уровня грунтовых вод, санитарно-химических анализов воды и почвы. Такие данные помогают контролировать физико-химические характеристики, соленость и водопроницаемость почв, что имеет важное значение в условиях рискованного земледелия для предотвращения деградации орошаемых земель
, , , .
Рисунок 2 - Сенсорные технологии поиска и идентификации состояния орошаемых агрофитоценозов
Примечание: по ист. [29]
В последнее время все большее значение приобретает мультимодальный мониторинг, который представляет собой сочетание спутниковых, БПЛА, наземных сенсоров и климатических данных для комплексной оценки продуктивности и здоровья агрофитоценозов. Этот подход обеспечивает более точные и адаптивные модели управления орошением и агротехникой
, , .Технологии оперативного мониторинга способствуют повышению эффективности использования водных ресурсов, контролю качества сельхозпродукции и снижению экологических рисков. Их внедрение в условиях рискованного земледелия становится необходимым для устойчивого развития агропромышленного комплекса и обеспечения продовольственной безопасности.
Сравнительный анализ зарубежных и российских исследований позволил выявить ключевые достоинства и недостатки зарубежных подходов, особенности и потенциал российских технологий и исследований, а также провести системное сравнение алгоритмов, моделей и методов оценки эффективности мониторинга.
Результаты сопоставления и характеристики выявленных отличий российских и зарубежных подходов к мониторингу орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия приведены в таблице.
Таблица 1 - Результаты сопоставления выявленных отличий российских и зарубежных подходов к мониторингу орошаемых агрофитоценозов
Характеристика | Зарубежные подходы | Российские подходы |
Технологии сбора данных | Активное применение спутникового дистанционного зондирования, БПЛА, мультиспектральной съемки. Высокое разрешение и масштабируемость. | Комбинирование спутниковых систем с применением GPS/ГЛОНАСС и локальных сенсорных сетей. Частично менее интенсивное применение БПЛА. |
Методы анализа данных | Широкое использование ИИ и машинного обучения, адаптивные модели, прогнозные аналитические системы. | Использование алгоритмов ИИ с фокусом на региональную адаптацию; развитие отечественных моделей и программных решений. |
Оценка и мониторинг водных ресурсов | Интегрированные модели водного баланса с учетом климатических изменений; прецизионное управление водоподачей на основе прогнозов. | Усиленный акцент на мелиоративный мониторинг, контроль качества оросительной воды и деградации почвы. |
Экологический аспект | Акцент на устойчивость, снижение углеродного следа, оптимизацию использования ресурсов. Реализация международных климатических проектов. | Разработка и внедрение программ по восстановлению и защите почв, локальные проекты по снижению эрозии и деградации. |
Инфраструктура и реализация | Масштабные коммерческие и государственные проекты, интеграция с ИТ-платформами отрасли, высокая степень автоматизации. | Часто экспериментальные, региональные проекты, с постепенным масштабированием; развитие отечественной ИТ-инфраструктуры и государственных программ. |
Научно-прикладной фокус | Обширные исследования по интеграции новых технологий и алгоритмов в реальные условия, тесное сотрудничество с агропромышленностью. | Фокус на адаптации технологий под российские климатические и экономические условия, разработка локальных методик и практик. |
Международное сотрудничество | Активное участие в международных инициативах, обмен опытом и технологиями. | Нацелено на развитие международных связей, но пока ограничено национальными программами и ресурсами. |
Российские исследования делают упор на локализацию и адаптацию, что связано с существенным разнообразием почвенно-климатических и экономических условий. В то же время зарубежные проекты часто более технологически продвинуты в части масштабности использования ИИ и спутникового мониторинга. Синергия этих подходов может дать значительный импульс для развития устойчивого в зонах рискованного земледелия России с применением современных цифровых технологий.
В качестве перспективных направлений дальнейшего совершенствованияагроэкологического мониторинга можно выделить разработку гибридных моделей мониторинга, включая интеграцию нейросетевых методов ИИ с климатическими и гидрологическими моделями, использование облачных решений в агросекторе, а также применение предиктивных эколого-математических моделей, позволяющих оценивать и прогнозировать социально-экономические эффекты улучшенного мониторинга.
4. Заключение
Проведенные исследования позволили сформулировать следующие выводы и рекомендации:
1. Современные методы оперативного мониторинга с использованием средств ИИ и нейросетевых технологий позволяет существенно повысить точность и оперативность оценки состояния орошаемых агрофитоценозов в условиях рискованного земледелия, в частности Волгоградской области и аналогичных регионов. В условиях рискованного земледелия особое внимание должно уделяться мониторингу мелиоративного состояния земель и предотвращению деградационных процессов, что влияет на устойчивость и продуктивность агрофитоценозов.
2. Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с высоким разрешением съемки и обработкой получаемых изображений методами глубокого обучения позволяет в режиме реального выявлять дефекты развития растений, стрессовые состояния и патологические изменения, что обеспечивает возможность оперативной корректировки агротехнических мероприятий.
3. Опубликованные результаты российских и зарубежных исследований подтверждают высокую эффективность комплексного использования дистанционного зондирования, IoT-сенсоров и методов ИИ для мониторинга и управления водным режимом, почвенно-химическими характеристиками и продуктивностью агроценозов.
4. Основными ограничениями современных систем остаются требования к качеству и объему исходных данных, необходимость адаптации алгоритмов ИИ к локальным региональным условиям, а также все еще высокая стоимость внедрения и поддержки технологий.
5. Актуальным направлением совершенствования агроэкологического мониторинга является разработка гибридных систем мониторинга, объединяющих спутниковые данные, данные БПЛА, локальные сенсоры и климатическую информацию для более комплексного и адаптивного управления орошением в рискованных условиях.
Реализация разработанных алгоритмов и технологий позволит повысить экономическую эффективность аграрного производства, снизить затраты на ресурсы и добиться устойчивого высокопродуктивного земледелия с соблюдением экологических норм и стандартов.