Архипова, В.В. Кульба, В.Е. Микрин Модели и методы репланирования сельскохозяйственного производства в условиях чрезвычайных ситуаций с использованием аэрокосмической информации: Учебное пособие // под общ. ред. Н.И. Архипова; РГГУ. — Москва: Экономика, 2012. — 228 с. — (Высшее образование.)

СОДЕРЖАНИЕ
Введение    5

ГЛАВА 1. Сельскохозяйственное производство и его особенности    11
1.1. Характеристики сельскохозяйственного производства и его особенности    11
1.2. Система управления сельскохозяйственным производством в России    14
1.3. Чрезвычайные ситуации и их влияние на сельскохозяйственное производство    20
1.4. Проблемы управления сельскохозяйственным производством в условиях ЧС    31

ГЛАВА 2. Мониторинг сельскохозяйственного производства    40
2.1. Существующие методы мониторинга    41
2.1.1. Дешифрование растительности    49
2.1.2. Дешифрование сельскохозяйственных культур    57
2.1.3. Почвенное дешифрование снимков    62
2.2. Прогноз результативности сельскохозяйственного производства с использованием космических снимков    68
2.3. Цифровая обработка аэрокосмических снимков    74
2.3.1. Первичная обработка изображений    76
2.3.2. Тематическая обработка    82
2.4. Сегментация мультиспектральных изображений для выявления аномалий развития растений    92
ГЛАВА 3. Методы определения резервов в сельскохозяйственном производстве в условиях ЧС    105
3.1. Типы резервов и их использование в сельскохозяйственном производстве. Структурно-технологический резерв    105
3.2. Природно-климатический и эколого-физиологический резервы    120
Засухи и суховеи    123
Переувлажнение    128
Пониженные температуры    131
Водная эрозия, ливни, град, сильные ветры    136
Вымерзание    138
Вредители и болезни растений    140
Матрица эколого-физиологического резерва    141

ГЛАВА 4. Модели и методы планирования и репланирования сельскохозяйственного производства с использованием резервов различного типа    144
4.1. Модели оптимального планирования сельскохозяйственного производства    145
4.2. Модели и методы оптимального репланирования сельскохозяйственного производства    159
4.3. Модели планирования и оперативного управления сельскохозяйственными перевозками    168
4.4. Функциональная структура типовой автоматизированной системы управления сельскохозяйственным производством    177
4.5. Автоматизация процедур планирования, репланирования и управления основным производством сельскохозяйственной продукции с использованием аэрокосмической информации    181
4.6. Вспомогательные подсистемы АСУ АПК    194

Заключение    220
Литература    223

ВВЕДЕНИЕ
Сельское хозяйство является одной из ключевых отраслей для России, в которой занято более 10% экономически активного населения страны.
В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 гг. определены пути достижения устойчивого развития сельских территорий, повышения занятости и уровня жизни сельского населения, а также повышения конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции. Реализация программы и проекта предполагает разработку необходимых законов и правовых актов, федеральных, межрегиональных и региональных программ развития объектов агропромышленного комплекса (АПК), методов и средств планирования, репланирования и управления АПК, информационно-управляющих систем, использующих ЭВМ, современных средств передачи данных и космической техники. Необходимость такого развития обусловлена также тем, что в последнее время в мире возникла тенденция к увеличению количества чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного характера: учащаются случаи наводнений, все чаще наблюдаются аномальные явления в виде засух, суховеев, ураганов, заморозков, массового распространения вредителей и др.
Анализ современного состояния средств аэрокосмического мониторинга показывает возможность их использования в сельскохозяйственном производстве на различных уровнях, особенно в условиях чрезвычайных ситуаций. В этой связи разработка моделей и методов автоматизированного планирования, репланирования и управления сельскохозяйственным производством в условиях чрезвычайных ситуаций с использованием аэрокосмической информации является исключительно важной задачей, позволяющей существенно увеличить эффективность предотвращения и устранения последствий чрезвычайных ситуаций.
В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта планирования, репланирования и оперативного управления сельскохозяйственным производством в условиях чрезвычайных ситуаций, а также аэрокосмического мониторинга в работе впервые получены следующие основные результаты:
предложены методы оптимального планирования и репланирования сельскохозяйственного производства в условиях чрезвычайных ситуаций с учетом данных аэрокосмического мониторинга и введенных типов резервов;
предложены, формализованы и детально исследованы три типа резервов сельскохозяйственного производства: структурно-технологический, природно-климатический и эколого-физиологический;
разработана функциональная структура типовой автоматизированной системы управления сельскохозяйственным производством, обеспечивающая эффективную реализацию предложенных в работе методов планирования, репланирования и управления сельскохозяйственным предприятием с использованием резервов различного типа;
предложен метод сегментации мультиспектральных изображений для выявления аномалий в развитии массы растений на основе метода нормализованного разреза графа и метода свертки мультиспектральных изображений при помощи локального отображения.
Методологический подход, модели и методы планирования, репланирования и оперативного управления позволяют существенно повысить эффективность функционирования автоматизированных систем управления сельскохозяйственным производством за счет использования имеющихся резервов и необходимой информационной поддержки принятия решений в условиях чрезвычайных ситуаций.
Разработанные методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании автоматизированных систем управления сельскохозяйственным производством в условиях чрезвычайных ситуаций в научно-исследовательских и производственных организациях, разрабатывающих, внедряющих и эксплуатирующих системы подобного класса. Использование полученных результатов и предложенных рекомендаций позволяет снизить потери сельскохозяйственной продукции в среднем на 10–30%.
Работа разделена на главы следующим образом.
В гл. 1 рассматривается состояние современного сельскохозяйственного производства в России за последние годы, выявляются и анализируются его особенности и тенденции развития, подтвержденные статистическими данными по различным регионам и периодам. Приводится обзор современных методов управления сельскохозяйственным производством, в том числе с использованием современных методов и средств обработки и передачи данных. Рассматриваются различные типы чрезвычайных ситуаций и их влияние на эффективность сельскохозяйственного производства. Проведены классификация чрезвычайных ситуаций, возникающих в сельском хозяйстве, а также анализ последствий стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций в агропромышленном комплексе Российской Федерации. Поставлены проблемы и задачи повышения эффективности и качества управления сельскохозяйственным производством в условиях чрезвычайных ситуаций, информационного обеспечения стратегического планирования и репланирования, аэрокосмического мониторинга, использования резервов различного типа.
В гл. 2 рассмотрены вопросы мониторинга продуктивности сельскохозяйственного производства. Дается обзор и классификация существующих методов мониторинга чрезвычайных ситуаций в области сельского хозяйства. Рассматривается мониторинг сельскохозяйственного производства с использованием аэрокосмических технологий. Описаны методы определения состава сельскохозяйственных культур, общие принципы дешифрования растительности с использованием мультиспектральной съемки, а также радарной съемки в микроволновом диапазоне. Подробно приводятся спектральные характеристики травянистой растительности и сельскохозяйственных культур. Описываются методы оценки состояния посевов, количества биомассы и прогнозирования урожайности, а также дистанционное обнаружение заболеваний растительности с использованием аэрокосмических снимков. Рассматриваются стадии и методы цифровой обработки аэрокосмических изображений, такие как первичная обработка, состоящая из геометрической, радиометрической и атмосферной коррекции, улучшение изображения различными методами, восстановление пропущенных пикселей; а также тематическая обработка, в которую входят распознавание образов и различные методы сегментации. Предлагается метод сегментации мультиспектральных изображений для выявления аномалий в развитии массы растений на основе метода нормализованного разреза графа и метода свертки мультиспектральных изображений при помощи локального отображения.
В гл. 3 рассмотрены вопросы классификации, формального определения и описания характеристик резервов различного типа применительно к сельскохозяйственному производству в условиях возможных чрезвычайных ситуаций. С использованием аппарата теории графов формально определен структурно-технологический резерв для технологической операции и технологической схемы как совокупности технологических операций. Применительно к данной предметной области определены такие характеристики структурно-технологического резерва, как стоимость, эффективность и гибкость. Определены и рассмотрены два типа природно-климатического резерва в сельскохозяйственном производстве. Введено понятие эколого-физиологического резерва двух типов для различных чрезвычайных ситуаций в сельскохозяйственном производстве, таких как засухи и суховеи, переувлажнение, воздействие пониженных температур, вымерзание, водная и ветровая эрозия, вредители и болезни. Детально рассмотрены факторы, влияющие на данный тип резерва, формально определенного в матричном виде. На основе полученных характеристик разработаны рекомендации по использованию различных типов резервов для целей репланирования в условиях чрезвычайных ситуаций. В написании гл. 3 принимал участие д.т.н. С.А. Косяченко.
В гл. 4 предложены модели оптимального планирования и репланирования сельскохозяйственного производства с использованием различных типов резервов. Дается классификация и обзор методов применительно к различным горизонтам планирования. Подробно рассматриваются модели оперативного планирования и управления. Формально определяются базовые понятия технологий выращивания сельскохозяйственных культур, рабочих планов, а также производственных программ сельскохозяйственных предприятий. Поставлены задачи оптимизации структуры посевных площадей и выбора технологии возделывания сельскохозяйственных культур, предложены методы их решения. Подробно рассматриваются модели и методы оптимального репланирования сельскохозяйственного производства в условиях чрезвычайных ситуаций, критерии принятия решений о репланировании на основании данных аэрокосмического мониторинга, значений эколого-физиологического резерва и возможностей устранения чрезвычайной ситуации силами хозяйства. Ставятся и решаются задачи оптимизации структуры посевных площадей и выбора технологии возделывания сельскохозяйственных культур при репланировании в условиях неопределенности и ограниченного времени с использованием структурно-технологического и природно-климатического резервов. В заключение ставится и решается транспортная задача в рамках моделей планирования и оперативного управления сельскохозяйственными перевозками.
Представлена разработанная функциональная структура типовой автоматизированной системы управления сельскохозяйственным производством, обеспечивающая реализацию предложенных в работе методов планирования, репланирования и оперативного управления сельскохозяйственным предприятием с использованием резервов различного типа. Подробно рассматривается возможность использования аэрокосмического мониторинга в структуре системы управления сельскохозяйственного производства. Представлены основные характеристики разработанного модульного программного, информационного, технического и организационного обеспечения системы управления сельскохозяйственным производством.