Precizní zemědělství je mezinárodně ujednocený termín (Precision Agriculture) pro nové směry hospodaření na zemědělské půdě a je definováno jako moderní způsob obhospodařování pozemků. Principem je realizace agrotechnických zásahů podle momentálního stavu lokálního objektu, tj. prostoru na pozemku a individuální péče o tento prostor. Realizace precizního zemědělství znamená provádět pěstební zásahy se správnou intenzitou, na správném místě a ve správný okamžik.
Technologie využívané precizním zemědělstvím
Základním stavebním kamenem pro diferencované provádění agrotechnických zásahů je lokalizace pomocí satelitní navigace (tzv. globálních navigačních satelitních systémů-GNSS) a jejich analýza v geograficko-informačním systému (dále jen GIS).
Využití satelitní navigace zaznamenalo za posledních 10 let obrovský rozvoj. Poskytují informace o pozici dostupné v reálném čase. To umožňuje nejen mapování výsledků měření (analýz) půdy, porostů ale i výnosu pěstovaných plodin. Přijímače dovolují uživatelům vrátit se na určitá místa pro odběr vzorků, ale hlavně diferencované ošetření těchto ploch.
Využití geograficko-informačních systémů (GIS) v agronomické praxi (poloha pozemků, rozloha, úrodnost, rozdíly v půdních vlastnostech, výskyt plevelů atd.) umožňuje podstatné zefektivnění práce. Při zavádění informačních technologií v zemědělství mohou vznikat speciální krátkodobé problémy. Z dlouhodobého pohledu je ale obtížné si představit, že by byly výhody precizního zemědělství ignorovány.
Impulzem pro zavedení precizního zemědělství je zjištění, že daný pozemek není homogenní, ale variabilní, tzn. že má různé vlastnosti. Jak to zjistit? Jsou využívány různé technické a mechanizační prostředky pro odběr vzorků, diagnostiku a mapování půdních vlastností (např. elektromagnetická vodivost, vlhkost půdy, penetrometrický odpor apod.), ale i vlastností porostů (např. N-senzor, crop meter apod.). Jistě nikoho nepřekvapí, když řekneme, že takto získaná data jsou zpracována v GIS.
Další technologií, kterou využíváme v precizním zemědělství je tzv. Dálkový průzkum země, neboli DPZ (remote sensing). Jde o proces získávání, přenosu a interpretace dat a informací o vlastnostech objektů a jevů pomocí záznamových zařízení použitých na dálku (z letadla, družice). I takto získané informace jsou nakonec analyzovány v GIS.
Dnes je již zcela běžné mapování výnosu polních plodin čidly, kterými jsou vybaveny sklízecí stroje (mlátičky, řezačky, žací stroje, sklízeče cukrovky i brambor). Máme tak vstupní podklady pro zmapování heterogenity pozemku, ale zpětně si můžeme ověřit správnost prováděných agrotechnických zásahů. I tato data jsou zpracovávána pomocí GIS.
Pro realizaci závěrů a rozhodnutí provedených opět v rámci GIS je třeba mít k dispozici technické a mechanizační prostředky pro diferencovanou aplikaci hnojiv a pesticidů, zpracování půdy a zakládání porostů polních plodin. A zpětně zase získáme data o aplikaci, která můžou posloužit pro další rozhodování, ale také třeba pro požadovanou evidenci (např. v rámci dodržování nitrátové směrnice apod.).
V praxi nachází precizní zemědělství zatím největší uplatnění v USA, což lze vysvětlit jak agrární strukturou (dostatečně veliké farmy i pozemky), tak i technologickou vyspělostí. V našich podmínkách však může mít využití těchto technologií určitá specifika vyplývající z větší půdní různorodosti a členitosti pozemků i vyšší intenzity hospodaření. Výhodu má ten, kdo provede potřebné změny a zavede nové technologie dříve.
Co je to GIS?
GIS neboli Geografický informační systém (Geographical Information Systém) je počítačový systém orientovaný na zpracování geografických dat, prezentovaných především v podobě různých map.
Geografické informační systémy můžeme chápat ve třech rovinách:
– GIS jako software – GIS je soubor programů pro správu a analýzu prostorových dat (např. ARC/INFO, TOPOL, AGROCOM),
– GIS jako aplikace – GIS je informační systém geografického typu, který je součástí řízení určité organizační jednotky, např. GIS okresního úřadu nebo správy NP nebo Registr půdy – LPIS (Land Parcel Identification System),
– GIS jako technologie – GIS je funkční celek vytvořený integrací technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, obsluhy, uživatelů a organizačního kontextu, zaměřený na sběr, ukládání, správu, analýzu, syntézu a prezentaci prostorových dat pro potřeby popisu, analýzy, modelování a simulace. Dle této definice se dá říci, že precizní zemědělství je vlastně GIS technologie.
V praxi se objevují různé názory na funkčnost GIS. Můžeme je prezentovat ve formě tří odlišných, navzájem se prolínajících pohledů (aspektů):
– kartografický (mapový) – dominuje u těch uživatelů, pro které je důležitá kvalitní prezentace výsledků procesu zpracování nebo kartografický aspekt, důraz je kladen především na informačně-komunikační funkci mapy (výnosová mapa, mapa násobenosti živin, plán osevu),
– databázový – převládá u těch uživatelů, u kterých dominuje potřeba inventarizace, shromažďování, třídění, selektování a prezentování údajů (lidé se vzděláním zaměřeným na informatiku), kteří provozují a vytvářejí GIS jako databáze. Příkladem aplikací vznikajících na základě tohoto pohledu mohou být např. městské informační systémy (MIS) nebo systémy řízení inženýrských sítí (AM/FM). Sem lze zařadit již zmiňovaný a pro zemědělce známý LPIS,
– analytický – vyzdvihuje schopnosti prostorové analýzy, syntéz poznatků a modelování. Právě v těchto schopnostech spočívá síla GIS a jimi se tyto systémy odlišují od systémů ostatních. Analytický pohled dominuje právě při využití v precizním zemědělství.
V různých aplikacích mají tyto pohledy různou váhu, ale navzájem se doplňují a kombinují jako právě GIS používaný v precizním zemědělství, který by měl v sobě sjednocovat všechny výše uváděné aspekty.
Základní komponenty GIS
Obecně jsou geografické informační systémy tvořeny navzájem souvisejícími základními komponenty – hardwarem, softwarem, daty a organizační strukturou. Tyto základní komponenty ovlivňují v GIS vše. Pro efektivní práci systémů je proto nezbytná jejich vyváženost. Jednotlivé komponenty a jejich části se navzájem jak podněcují, tak i vylučují. Stanovení základních komponent je pro určité aplikace prvním a velice důležitým krokem jejich úspěšné realizace.
Hardwarové požadavky na provoz GIS se různí podle jednotlivých softwarových produktů GIS, podle implementace systému do řešení aplikačních úloh, v našem případě pro aplikace v systému precizního zemědělství i podle finančních možností GIS uživatele. Hardwarové složky GIS můžeme rozdělit na vlastní počítače, vstupní a výstupní periférie a počítačové sítě.
Software neboli programové vybavení počítače představuje soubor programů vykonávající veškeré operace systému. Existují různé přístupy k členění softwarových složek GIS, všeobecně je však uznávána klíčová úloha geografické databáze a systému řízení této databáze
Systémy GIS jsou běžně tvořeny velkým počtem programových podsystémů, resp. modulů. Softwarové vybavení jednotlivých systémů se od sebe značně liší. Od těch jednoduchých, které dokáží vygenerovat pouze výnosovou mapu, až po produkty, které tvoří komplexní systém pro zpracování, správu, editaci, vizualizaci, analýzu a prezentaci geografických dat, včetně dat z DPZ nebo také 3D objektů.
Při výběru programu je důležité zvážit, co od systému očekáváme a na jaké otázky budeme chtít od GIS odpověď, příp. jaké situace budeme řešit. Většina produktů nabízí kromě základního modulu (jádra) přídavná, volitelná rozšíření, která si můžete zakoupit zvlášť, abyste do softwaru doplnili specializovanou funkčnost GIS. Se zvýšením funkčnosti musíte počítat také se zvýšením ceny, a to bývá někdy velmi markantní.
Jaké otázky v souvislosti s prostorovými daty mohou vyvstat a které musí GIS v precizním zemědělství vyřešit?
Například:
Otázky týkající se polohy – „Co se nachází ...?“ (Co se nachází na honu III.?) – snaží se zjistit, co se nachází na konkrétně vymezeném území
Otázky na podmínku – „Kde je ...?“ – (Na kterých místech ve vzdálenosti 300 m od porostu pěstovaného na semeno se nachází stejná plodina?) – zodpovězení již vyžaduje prostorovou analýzu (vytvořit obalovou zónu, provést topologické překrytí více informačních vrstev)
Otázky na trend – „Co se změnilo …? – (Jak se změnila zásoba živin v půdě za posledních šest let?) – snaží se zjistit změny v průběhu času
Otázky zjišťující prostorové uspořádání jevů – „Jaká existují pravidelná prostorová uspořádání?“ – (Jaké je rozložení výnosu v závislosti na zaplevelení pozemku?)
Modelování – „Co se stane když ...? – (Jaké části pozemku budou zaplaveny v případě, že se hladina potoka zvýší o 1 m?)
Data v GIS
Data (obrazy vlastností objektů, vhodně formalizované pro přenos, interpretaci nebo zpracování prostřednictvím osob nebo počítače) jsou klíčovým prvkem každého geografického informačního systému, tedy i precizního zemědělství. Data jsou nositelem informace. Jsou zároveň i jeho významnou komponentou. GIS umožňuje využívat mnoho typů dat, jejich důležitost nadále roste. Stále více dat se prodává nebo podléhá licencím (nejsou-li volně šiřitelná jako například veřejná data).
Někdy se říká, že GIS je databázový program pro geografické data.
Co to jsou geografická data?
Geografická data jsou informace (význam, který člověk přisuzuje datům) o zemském povrchu a entitách (objekt, abstraktní nebo konkrétní, o kterém je v databázi uložena informace), které se na něm nacházejí.
Každá z prostorových geografických entit vyjadřuje v podstatě tyto čtyři typy prostorových objektů podle typů rozměrů, kterými jsou entity vyjádřeny:
n bezrozměrné – 0D – objekty, které mají přesně definovanou polohu v prostoru, nemají délku ani plochu, jde o tzv. body – prostřednictvím bodů jsou běžně vyjadřovány např. výškové kóty, stožáry elektrického vedení, geologické vrty, hraniční znaky, kilometráže silničních sítí apod. V praxi precizního zemědělství se využívají např. pro znázornění místa odběru půdních vzorků. Data precizního zemědělství bývají často popisována jako body, ale ve skutečnosti reprezentují plochy. Například: výnosová data, kdy palubní počítač uloží výnosová data vázaná bodově, ačkoliv sklidil určitou plochu,
n jednorozměrné – 1D – (přímé) úseky čar, které mají konečnou délku, nemají plochu, jsou to tzv. linie – v zemědělství jsou nejčastěji užívány pro prezentaci dráhy pohybu nebo obrysy pozemku. Příklad: pohyb strojů, linie odvodňovacích drenáží, terasy, silnice, vodní toky,
n dvourozměrné – 2D – objekty (polygony), které mají délku i šířku, jsou to tzv. plochy – série souřadnic, jejichž tvar uzavírá polygon. Podobají se liniím, ale reprezentují všechny plochy uvnitř polygonu. Jsou určeny pro vyjádření takových objektů, jako je např. území kraje, rybník, lesní pozemek, vinice apod. V praxi precizního zemědělství je samozřejmě charakteristickým polygonem každý zemědělský pozemek, ale lze zaznamenat například: ohniska plevelů, zamokření apod.,
n trojrozměrné – 3D – objekty, které mají tři rozměry: délku, šířku a výšku, resp. hloubku, lze u nich určovat objem, jsou to tzv. tělesa – zpracování a analýza v trojrozměrných datových modelech vyžaduje speciální 3D GIS systémy. V systému precizního zemědělství se může jednat o zobrazení zásoby živin v závislosti na hloubce, realistická prezentace výškových dat, sklonu terénu atd. (pozn. dnes někdy hovoří i o tzv. 4D, kdy sledujeme změny objektů v čase).
Vyjádření a popis geografických entit (jevů a objektů) v GIS jsou založeny na dvou různých typech digitálních dat: grafických (prostorových) a negrafických (neprostorových, tematických), které nazýváme také atributy.
Grafická data
Popisují ve zvoleném souřadnicovém systému prostorové umístění (geometrická) a vzájemný vztah entit (objektů) a jejich částí (topologická). Geometrická data mohou být vektorová nebo rastrová. Jsou to dva základní formáty digitálních dat odlišující od sebe jednotlivé systémy. Vektorová i rastrová reprezentace dat mají každá své výhody i nevýhody. Každá z nich je vhodná pro určitý typ informací a analýz.
Geodata jsou nejčastěji vyjádřena vektorovým způsobem. Zjednodušeně to znamená, že každý geoprvek je reprezentován nějakým geometrickým tvarem (shape). A to již zmiňovaným bodem, linií nebo polygonem.
Rastrová data (rastry) v prostředí GIS lze vnímat jako typ digitálního obrazu. Nejmenší jednotkou každého digitálního rastru je obrazový bod (pixel nebo buňka obrazu). Obrazové body pokrývají plochu celého rastru v pravidelném uspořádání, který představují řádky a sloupce obrazu. Rastrová data přitom nemusí být reprezentována jenom běžnými obrazovými daty, např. fotografií pořízenou digitální kamerou, fotografií přenesenou do digitální podoby anebo naskenovanou kopií části mapy na skeneru. Mohou vyjadřovat určitou abstrakci reality, např. v tzv. digitálním modelu reliéfu je vyjádřena prostřednictvím rastru nadmořskou výškou. Prostřednictvím rastru mohou být vyjádřena i další fyzikální data, jako jsou např. srážkové údaje, pro precizní zemědělství důležité mapy zásobenosti půdy živinami apod. Každý jednotlivý pixel rastru tedy může vyjadřovat buď informaci o barvě, která je vyjádřena obvykle třemi barevnými složkami (reprezentované většinou červenou-R, zelenou-G, modrou-B složkou), případně hodnotou barvy v barevné paletě rastru, nebo vyjadřuje informaci o nějaké fyzikální veličině (např. hodnota pH půdy, intenzita odražené energie v případě družicových dat apod.). Prostorové rozlišení každého rastru je dáno rozměry každého pixelu vyjádřeného obvykle hodnotou odpovídající reálné skutečnosti. Například se uvádí, že ortofotomapa má rozlišení 0,5 metru/1 pixel. Pro práci s rastry v GIS je nezbytné, aby každý byl lokalizován, tzn. aby bylo známo jeho prostorové umístění rastru vyjádřené v určitém souřadném systému.
Negrafická data
Jsou to popisné údaje vztažené ke geografickým objektům (názvy, rozměry, časové údaje, vlastnické vztahy atd.). Popisují vlastnosti jednotlivých entit (objektů).
Propojení a těsné zpracování grafických a negrafických dat je největší předností GIS a zároveň důvodem jejich efektivního využití.
Při pořizování dat v precizním zemědělství se každému objektu obvykle přiřazují popisné údaje. Body znázorňující místa odběru půdních vzorků mohou ve svých popisných atributech obsahovat např. údaje o obsahu jednotlivých živin, polygony pozemků obsahují např. popisné atributy o názvu pozemku, jeho výměru a podobně.
Organizační struktura
Jak už bylo výše řečeno, mezi základní komponenty GIS patří i organizační struktura. Z tohoto pohledu je GIS skutečným systémem. Jeho fungování je souhrnem činností, které zabezpečují jednotlivé funkce systému.
V současné době vynakládá mnoho organizací značné finanční prostředky na pořízení GIS a na budování geografických digitálních databází. Ani zemědělské praxi se tento trend nevyhnul. Aby byly systémy GIS efektivně využity, musejí být začleněny do organizační struktury pracoviště. Rozsah a vnitřní organizační pravidla mohou nabývat různých rozměrů. Lze se setkat s minimálním systémem, který tvoří jeden počítač, na něm nainstalovaný program a jeden pracovník (agronom, mechanizátor nebo specialista) ovládající celý systém a zabezpečující veškeré jeho vnější požadavky. Jinou podobu mají systémy velkých firem, většinou z oblasti služeb. V těchto organizacích jsou obvykle vytvářeny celé týmy pro zabezpečení jednotlivých podsystémů. Ve většině případů znamená pro pracoviště zavádění GIS do jejich organizační struktury změny v pracovních postupech, v odborné kvalifikaci pracovníků a technické podpoře, tzn. i navýšení finančních prostředků.
K efektivnímu použití GIS je nezbytné, aby systém plně a bezchybně fungoval. Názory na rozdělení činností v rámci projektu GIS se různí. V podstatě lze u nich rozlišovat tyto typické kroky:
1. Přípravná fáze
2. Vstup dat
3. Správa dat
4. Analytické zpracování dat
5. Prezentace dat
První fáze – přípravná je velmi důležitá. Je třeba v ní ujednotit představy, co se od pracoviště očekává nyní a co v blízké budoucnosti. S nákupem hardwaru je nezbytné současně pořizovat software. Při jeho koupi většinou vyvstanou další hardwarové požadavky.
Na našem trhu je celá řada softwarových produktů pro GIS. Uživatel má možnost si vybrat univerzální produkty od světových firem, např. ESRI (ArcView, GIS, ARC/INFO), Intergraph (GIS Office, GeoMedia) a jiné, ale i tuzemské produkty firmy Topol Software (Topol for Windows).
Pro využití v systému precizního zemědělství je rovněž velké množství aplikací, které přímo nabízí ke svým výrobkům producenti zemědělské techniky. Např. systémy AGROCOM (Claas), AMS – Agriculture Management Solutions (John Deere), GTA (Global Technologies by AGCO), M.tronic (Amazone) a další. Nebo mohou zemědělci využít speciální softwary, jako např. Farm Works, AgroSat, SS Toolbox, Agrolab, Agrar-Office aj.
Nedílnou součástí prací při projektování GIS je stanovení způsobu ochrany dat před zneužitím a ztrátou.
Naplnění databáze je časově nejdelším, nejkomplikovanějším a také finančně nejnáročnějším krokem v rámci systému precizního zemědělství, ale i GIS obecně. Uvádí se, že data pohltí 60 až 80 % všech investic do implementace GIS. Tento proces obnáší vstup prostorových dat, budování topologických vztahů a vstup atributových údajů. Důležitá je etapa kontroly údajů a editace chyb v geometrické, topologické i atributové části dat. Pro vstup lze použít různé zdroje údajů. V současné době se začínají projevovat dvě protichůdné tendence: stále více údajů je veřejně dostupných (databáze znalostí, regionální či městské informační systémy), na druhé straně je stále více údajů, které si vytvářejí různé instituce či organizace zvláště pro svoji potřebu i pro komerci. Vzniká tak trh s geografickými údaji v digitální podobě.
Síla a odlišnost GIS od jiných podobných systémů spočívá ve schopnosti provádět analýzy a syntézy dat. Výběr konkrétních analytických metod závisí na povaze a cílech projektu, ovlivňuje ho i zaměření aplikace GIS. V databázových aplikacích to mohou být jen dotazy do databáze, různé typy třídění údajů nebo generování statistických údajů pro dané objekty. V precizním zemědělství většinou požadujeme schopnost systému provádět různé geografické analýzy, při kterých je používána mapová algebra, postupy odvozeného mapování, analýza povrchů, vzdáleností, obrazů, sítí, statistické analýzy.
Vizualizace údajů pak probíhá různým způsobem – na monitoru počítače (třeba i palubního na stroji) i na klasických médiích (papír, fólie apod.).
Projekt PREZEM
Seznámili jsme se s daty, s jejich pořizováním a použitím, s moderními trendy ve vývoji standardů pro sdílení dat a rovněž se specializovaným GIS softwarem.
V oblasti problematiky precizního zemědělství probíhá řada výzkumných projektů. Jedním z nich je i projekt PREZEM s evidenčním číslem 2B06124, který je financován Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy. Tento projekt se snaží kromě jiných cílů nalézt nové technologické řešení, které umožní přenesení rozhodovacích procesů v precizním zemědělství přímo do terénu. Systém bude zajišťovat přístup ke znalostem a aktualizaci informací kdykoliv a kdekoliv. Bude založen na kombinaci moderních principů správy distribuovaných geoprostorových informací, s možností mobilní kartografické vizualizace, s mobilním managementem geoprostorových informací a lokalizace informací na bázi GNSS informací ve vztahu k preciznímu zemědělství.
Dále pak bude provádět analýzu dat v precizním zemědělství v prostředí webových služeb, které umožní zavedení nových modelů práce do precizního zemědělství. To umožní snížení fixních nákladů na straně zemědělce, jelikož ten nebude platit za řešení, ale za služby. Kombinace inovativních webových služeb umožní analyzovat distribuovaná heterogenní data (odběry vzorků, výnosové mapy, letecké a satelitní snímky a další) v prostředí webu. Tím bude zajištěna on-line interakce mezi odborníky a farmáři. To umožní zavést inovativní kooperační metody práce do zemědělství.
Bližší informace o projektu je možné nalézt na www.prezem.cz.
Klíčové informace
- Precizní zemědělství využívá nových průmyslových technologií, výpočetní techniky a softwaru pro specifikaci a modifikaci pěstebních opatření v závislosti na prostorové heterogenitě a na dynamice změn růstových procesů v čase.
- Využití získaných informací o heterogenitě pozemku, definováním místa či lokality zeměpisnými souřadnicemi, může být v dnešní době ekonomicky zajímavé
– pro podniky a farmáře,
– pro zpracovatele a spotřebitele, protože umožňuje kontrolu potravinového řetězce (zpětné dohledatelnosti – traceability).
- Přínosem precizního zemědělství by mělo být zvýšení ekonomické efektivnosti výroby, racionálnější využití vstupů a šetrnější přístup vůči okolnímu životnímu prostředí.
Ing. Lubomír Neudert, Ph.D.Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Agronomická fakulta
Ústav agrosystémů a bioklimatologie
