Введение к работе
Актуальность исследования. Кукуруза является одной из наиболее ценных и распространенных в мире злаковых культур. По площади посева и валовому производству в мире наряду с пшеницей и рисом она является основной зерновой культурой. Кукуруза отличается от других зерновых культур высокой потенциальной урожайностью и универсальностью использования в пищевой промышленности, животноводстве, медицине и других отраслях экономики.
Производство кукурузы в России, как и в мире неуклонно растет. По данным РОССТАТ, за последние пять лет (2008 -2012 гг.), по сравнению с предшествующим пятилетним периодом (2003 - 2007 гг.), среднегодовые значения валового сбора, посевной площади и урожайности зерна кукурузы увеличились соответственно на 76 % (от 3,29 до 5,78 млн. тонн), 63 % (от 1,03 до 1,67 млн. га) и 7,3 % (от 35,4 до 37,9 ц/га).
Основные площади, занимаемые кукурузой, сосредоточены на территории Южного и Северо-Кавказского федеральных округов - на их долю приходится до 80 - 90 % всех посевных площадей и валового сбора зерна данной культуры в Российской Федерации. По сравнению с 80-и годами прошлого столетия, валовой сбор зерна кукурузы в этих округах увеличился на 14 - 15 %.
В связи с возрастающей хозяйственной ценностью этой культуры в нашей стране необходим своевременный и качественный агрометеорологический прогноз ее урожайности, содействующий принятию плановых и стратегических решений, с целью увеличения объема полезной продукции высокого качества и разработки баланса зерна страны и отдельных ее территорий.
В настоящее время в оперативной практике Росгидромета для прогнозирования урожайности кукурузы используются регрессионные методы, разработанные А.И. Страшной, Л.В. Комоцкой и др. Регрессионные методы, как известно, имеют ряд недостатков, присущих всем физико-статистическим моделям.
Динамико-статистический подход и использование спутниковой информации в моделях биопродуктивности растений являются перспективным направлением в развитии новых методов прогноза урожайности кукурузы.
Предпосылки создания математической модели продукционного процесса кукурузы с использованием спутниковой информации для прогнозирования ее урожайности следующие:
наличие исследований, свидетельствующих о целесообразности комплексного использования наземных данных и спутниковой информации для изучения и математического моделирования агроэкосистем, а также для оценки и прогноза урожайности сельскохозяйственных культур;
внедрение и использование в оперативной практике Росгидромета методики динамико-статистических прогнозов урожайности основных зерновых культур и картофеля;
наличие автоматизированной информационно-прогностической системы (ИПС) обеспечения сельского хозяйства, в которой прогнозы для основных культур по субъектам Российской Федерации составляются на общей информационной базе (ежегодной статистической и стандартной декадной агрометеорологической информации) по динамико-статистическим моделям формирования урожая;
возможность включения в существующую ИПС методов прогноза урожайности с использованием спутниковой информации, что повышает качество оперативного агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства Российской Федерации.
Цель работы. Разработка метода и технологии прогнозирования урожайности кукурузы на зерно по основным кукурузосеющим субъектам Российской Федерации на основе динамико-статистической модели продукционного процесса кукурузы с использованием спутниковой информации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Анализ существующих математических моделей и выбор наиболее перспективной для разработки усовершенствованной динамико-статистической модели продукционного процесса кукурузы.
Оценка возможности использования спутниковых данных в применяемых в оперативной практике моделях прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур.
Разработка динамико-статистической модели продукционного процесса кукурузы с использованием спутниковой информации.
Разработка методов и технологии прогнозирования урожайности кукурузы на зерно.
Методы исследования. Работа выполнялась поэтапно в соответствии с перечисленными выше задачами. Для решения стоящих в работе задач использовались методы системного анализа, математического и имитационного моделирования, математической статистики, структурного и объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна:
Впервые усовершенствована модель продукционного процесса кукурузы с использованием спутниковой информации, предназначенная для оперативного агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства Российской Федерации.
Разработаны два динамико-статистических метода прогноза урожайности зерна кукурузы для субъектов Южного и Северо-Кавказского федеральных округов:
с использованием метеорологической и агрометеорологической информации;
с включением спутниковых данных, наряду с метеорологической и агрометеорологической информацией.
- Разработана технология оперативного прогнозирования урожайности
кукурузы на зерно по основным кукурузосеющим субъектам Российской Фе
дерации.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечена использованием современной теории, апробированных методов и средств моделирования агроэко-систем, технологий вычислительных экспериментов, соответствием фактических значений агрометеорологических показателей расчетным, подтверждением результатов прогноза фактической урожайности кукурузы на зерно на территории семи субъектов Российской Федерации в период 2007 - 2011 гг.
Теоретическая и практическая значимость работы. Усовершенствованная динамическая модель биопродуктивности кукурузы с использованием спутниковой информации способствует дальнейшему развитию методов математического моделирования и информационных технологий для установления количественных зависимостей формирования урожая от агрометеорологических факторов, а также их применению в области прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур. Авторские испытания разработанных методов прогноза урожайности кукурузы на зерно дали положительные результаты.
В дальнейшем запланировано проведение производственных испытаний разработанных методов с целью использования их в оперативной практике агрометеорологического обеспечения сельского хозяйства Российской Федерации.
Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:
- Усовершенствованная динамико-статистическая модель продукционно
го процесса кукурузы с использованием:
метеорологической и агрометеорологической информации;
спутниковых данных, метеорологической и агрометеорологической информации.
- Методики прогноза урожайности кукурузы на зерно для семи субъектов
Российской Федерации, основанные на динамико-статистическом методе про
гнозирования с использованием:
метеорологической и агрометеорологической информации;
спутниковых данных, метеорологической и агрометеорологической информации.
Технология оперативного прогнозирования урожайности кукурузы на зерно по семи субъектам Российской Федерации.
Комплекс программных средств для проведения расчетов по оперативному прогнозированию урожайности кукурузы на зерно, который может быть включен в ИПС обеспечения сельского хозяйства Российской Федерации.
Личный вклад автора заключается в анализе экспериментальных данных, разработке алгоритмов решения задач, поставленных научным руководителем, программной реализации динамико-статистических методов прогноза урожайности кукурузы, интерпретации результатов исследования и подготовке публикаций по теме диссертации.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы были опубликованы, докладывались, обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях:
Международные: XIV Международная научная конференция «Решетнев-ские чтения» (Красноярск, 2010); V Международная научная конференция «Земля из космоса - наиболее эффективные решения» (Москва, 2011); III Международная научно-практическая конференция «Агрометеорологическое обеспечение устойчивого развития сельского хозяйства в условиях глобального изменения климата», посвящена 35-летию образования ФГБУ «ВНИИСХМ» (Обнинск, 2012).
Всероссийские: VIII, IX и X Всероссийские конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2010, 2011 и 2012).
Межрегиональные и региональные: конференция молодых специалистов, посвященная 50-летию НПО «Тайфун» (Обнинск, 2010); конференция молодых ученых, посвященная 55-летию образования Института прикладной геофизики им. Федорова (Москва, 2011); XLVII Научные чтения, посвященные памяти К.Э. Циолковского (Калуга, 2012); конференция молодых специалистов в
ИПГ им. Федорова (Москва, 2012); конференция молодых специалистов по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Обнинск, 2013).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 17 работ, включая 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК России для опубликования научных результатов диссертаций. С единоличным авторством опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка используемой литературы (212 наименований, из которых работы автора составляют 16 наименований). Основной материал изложен на 141 странице, включая 36 рисунков и 7 таблиц.
