Ανάπτυξη λογισμικού αξιολόγησης γαιών σε περιβάλλον GIS.

Abstract

Οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες τις ανθρωπότητας σε καύσιμα και σε τρόφιμα, αυξάνουν και τις απαιτήσεις σε φυσικούς πόρους. Ειδικά για το έδαφος η εντατική βόσκηση και καλλιέργεια οδήγησαν στην υποβάθμισή του σε παγκόσμια κλίμακα. Για την διασφάλιση της αειφορίας και της μέγιστης παραγωγικότητας είναι επιβεβλημένη η εκπόνηση μελετών αξιολόγησης των γαιών. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός λογισμικού αξιολόγησης γαιών, σε περιβάλλον Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών. Η εφαρμογή καλύπτει ουσιαστικά την ανάγκη της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων της εδαφολογικής έρευνας των ελληνικών γεωργικών εδαφών. Στόχος είναι η ανάπτυξη μιας φιλικής στον χρήστη εφαρμογής ούτως ώστε η αξιολόγηση γαιών να γίνεται σε ελάχιστο χρόνο και με ελάχιστο κόπο όσο το δυνατό πιο επεκτάσιμη και παραμετροποιήσιμη, στις ανάγκες του ερευνητή. Η ανάπτυξη της εφαρμογής έγινε σε περιβάλλον ArcMap 10, της εταιρείας ESRI, χρησιμοποιώντας την αντικειμενοστραφή γλώσσα VBA και με κατάλληλο χειρισμό των ArcObjects. Συντάχθηκε ο κατάλληλος κώδικας και σχεδιάστηκαν οι απαιτούμενες φόρμες. Η υλοποίηση της εφαρμογής ξεκίνησε με την διερεύνηση των λειτουργιών που θέλουμε να εκτελούνται από αυτή. Αυτές είναι: i) Εισαγωγή εδαφολογικών δεδομένων, ii) Ανάκτηση δεδομένων και Αξιολόγηση, iii) Εξαγωγή αποτελεσμάτων, iv) Οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων και v) Χαρτοσύνθεση αποτελεσμάτων. Οι παραπάνω λειτουργίες εκτελούνται μέσω εύχρηστων διεπαφών. Για την υλοποίησή τους αρχικά δημιουργήθηκε μια εργαλειομπάρα του ArcMap. Σχεδιάστηκαν οι φόρμες της εφαρμογής, ορίσθηκαν οι μεταβλητές καθολικού επιπέδου, έγινε ανάπτυξη των γενικών ρουτινών κώδικα και τέλος αναπτύχθηκε ο κώδικας ρουτινών γεγονότων. Η χαρτογράφηση και ταξινόμηση των γεωργικών εδαφών καταλήγει στον προσδιορισμό των Χαρτογραφικών Εδαφικών Μονάδων (ΧΕΜ) βάσει ενός συγκεκριμένου συστήματος συνδυασμού και κατηγοριοποίησης ορισμένων εδαφικών ιδιοτήτων, καθώς και σε μια σειρά αποτελεσμάτων εργαστηριακών αναλύσεων από μια σειρά σημείων δειγματοληψίας εδαφικών δειγμάτων. Περιοχή εφαρμογής του λογισμικού που αναπτύχθηκε επιλέχθηκαν οι χαρτογραφημένες πεδινές εκτάσεις του Βορείου Αμβρακικού. Σύμφωνα με την σχετική εδαφολογική μελέτη (Κοσμάς, κ.α. 2009) κατεγράφησαν οι εξής ιδιότητες: Φυσικές ιδιότητες: Βάθος εδάφους, Παρουσία οργανικού ορίζοντα, Κοκκομετρική σύσταση, Υδρομορφία, Πέτρες και χαλίκια, Κλίση της επιφανείας του εδάφους, Βαθμός διάβρωσης, Δομή και πορώδες (Φαινόμενο ειδικό βάρος, όγκος πόρων και κατανομή τους, Αεροπερατότητα, σταθερότητα συσσωματωμάτων), Διηθητικότητα και Χημικές ιδιότητες: pH, C/ Ν, Ανθρακικό ασβέστιο και ανθρακικό μαγνήσιο, Ηλεκτρική αγωγιμότητα, Διαλυτά άλατα (Na, K, Ca, Mg, Cl, SO4, CO3, HCO3), Ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, Βαθμός κορεσμού με βάσεις, Ανταλλάξιμο νάτριο (%) (ESP), λόγος προσρόφησης Νατρίου (SAR), Ανταλλάξιμα κατιόντα (Κ, Ca, Mg, Η), Διαθέσιμος Φώσφορος, Ανταλλάξιμα ή διαθέσιμα στοιχεία P, K, Mg, Na, Cu, Mn, Zn, B, Fe, Al, As, Ni, Cr. Οι τιμές των εδαφικών ιδιοτήτων συγκρίθηκαν με τις απαιτήσεις των καλλιεργειών αμπέλι, ελιά, καλαμπόκι, τομάτα που επιλέχθηκαν για την δοκιμαστική χρήση της εφαρμογής που αναπτύχθηκε. Η τελική αξιολόγηση των εδαφών στις κλάσεις καταλληλότητας του F.A.O. (S1, S2, S3, N1, N2) γίνεται με την χρήση τριών μεθόδων: i) της απλής μεθόδου όπου η τελική αξιολόγηση προκύπτει από την ιδιότητα με τον μεγαλύτερο περιορισμό, ii) της μεθόδου πολλαπλών περιορισμών που οι κλάσεις καταλληλότητας υπολογίζονται από τις επί μέρους ιδιότητες και iii) της παραμετρικής μεθόδου Στην μέθοδο αυτή γίνεται χρήση των αριθμητικών χαρακτηρισμών που αποδίδονται κατά την αξιολόγηση κάθε ιδιότητας και υπολογίζεται ένας δείκτης C. Στην δική μας εφαρμογή για την αξιολόγηση χρησιμοποιήθηκαν οι ιδιότητες: Φυσικές ιδιότητες: Βάθος εδάφους, Κοκκομετρική σύσταση στα βάθη 0-25εκ., 25-75εκ., 75-150εκ., Υδρομορφία, Πέτρες και χαλίκια, Κλίση της επιφανείας του εδάφους, Βαθμός διάβρωσης, Παρουσία ανθρακικών αλάτων και 4 Χημικές ιδιότητες: Ι.Α.Κ., Β.Κ.Β., Οργανική ουσία, Αλατότητα. Προετοιμάστηκαν τα διανυσματικά αρχεία των πολυγώνων των Χ.Ε.Μ. και των σημείων δειγματοληψίας ώστε να είναι αξιοποιήσιμα από την εφαρμογή που αναπτύχθηκε. Συντάχθηκε επίσης ένας λεπτομερής οδηγός χρήσης της εφαρμογής, στον οποίον παρουσιάζονται οι ελάχιστες απαιτήσεις της εφαρμογής και τα αρχεία που αποτελείται. Κατόπιν περιγράφεται ο τρόπος προετοιμασίας του πίνακα εδαφικών απαιτήσεων και της προετοιμασίας των αρχείων των εδαφικών ιδιοτήτων. Ύστερα περιγράφεται η διαδικασία εισαγωγής του διανυσματικού αρχείου εδαφικών απαιτήσεων, της επιλογής των πεδίων ιδιοτήτων και της επιλογή της καλλιέργειας προς αξιολόγηση. Μετά ο τρόπος αξιολόγησης των εδαφών με τις τρεις μεθόδους και ο τρόπος εξαγωγής του αποτελέσματος στον, πίνακα περιγραφικών ιδιοτήτων (attribute table) του διανυσματικού αρχείου. Τέλος περιγράφεται η δυνατότητα της εφαρμογής για οπτικοποίηση και χαρτοσύνθεση του αποτελέσματος. Η χρήση του λογισμικού που αναπτύχθηκε με τα δεδομένα της περιοχής μελέτης οδήγησε σε ορισμένα συμπεράσματα τόσο όσον αφορά την ίδια την εφαρμογή όσο και για το ίδιο το αποτέλεσμα της αξιολόγησης. Η χρήση της εφαρμογής παρέχει ευκολία στην «φόρτωση» των δεδομένων, την αξιολόγησή τους και την εξαγωγή, οπτικοποίηση και χαρτοσύνθεση των αποτελεσμάτων. Προσφέρεται εξοικονόμηση χρόνου τόσο λόγω της ταχείας αξιολόγησης όσο και της εύκολης εξαγωγής του αποτελέσματος. Στην ευκολία χρήσης της εφαρμογής συνηγορεί και το γεγονός ότι το περιβάλλον λειτουργίας της είναι γνώριμο στον μέσο χρήστη και δεν είναι άλλο από αυτό του ArcMap. Η επέκταση της εφαρμογής με νέες καλλιέργειες είναι και αυτό μια απλή διαδικασία. H προετοιμασία των δεδομένων αποτελεί ένα μειονέκτημα και ίσως η μη μελλοντική υποστήριξη της εφαρμογής από τα λογισμικά της ESRI. Το αποτέλεσμα της αξιολόγησης, βάσει των εδαφολογικών δεδομένων της περιοχής που χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο της εφαρμογής, μας οδήγησε στα ακόλουθα συμπεράσματα: Όσον αφορά τις μεθόδους αξιολόγησης η απλή και η μέθοδος πολλαπλών περιορισμών δίνει παρόμοια αποτελέσματα και η μόνη που τα διαφοροποιεί είναι η παραμετρική. Η προσθήκη των χημικών ιδιοτήτων των εδαφών στην αξιολόγηση δίνει κοινά αποτελέσματα, με αυτή της αξιολόγησης μόνο των φυσικών ιδιοτήτων, κατά περίπου 75% για τις καλλιέργειες Αμπέλι, Τομάτα, Καλαμπόκι. Για την καλλιέργεια Ελιά τα κοινά αποτελέσματα είναι πολύ χαμηλότερα της τάξεως του 40% περίπου. Καταλληλότερη καλλιέργεια για την περιοχή αξιολογήθηκε το καλαμπόκι και από τις τρείς μεθόδους. Ακολουθούν η ελιά και μάλλον ακατάλληλες για το σύνολο της περιοχής η τομάτα και το αμπέλι.

The growing needs of humanity in fuel and food, increases also demands on natural resources. Especially for the soil intensive grazing and cultivation, led to soil degradation on a global scale. To ensure sustainability and maximum productivity is imperative drafting studies of land evaluation. The aim of this work is to develop land evaluation software in GIS environment. The application covers essentially the need of evaluating the results of the soil survey of Greek agricultural soils. The aim is to develop a user-friendly application so that the land evaluation is done in less time, with minimum fuss, scalable and configurable, as possible to the needs of the researcher. The application development environment was ESRI’s ArcMap 10, using the object-oriented language, VBA, proper handling of ArcObjects, developing the proper code and designing the required forms. The implementation of the software began with the study of the functions that we want to integrate. These are: i) Input of soil data, ii) Recovery of data and soil Evaluation, iii) Export results of evaluation, iv) visualization of results, and v) Mapping results. These functions are handled via user-friendly interfaces. For implementation initially created a toolbar of ArcMap. Designed the application forms, defined the global level variables, development of generic routines developed code and end code routines events. The mapping and classification of agricultural land leads to the identification of Mapping Units (MPCs) based on a particular system combination and categorization of certain soil properties, as well as a series of results of laboratory analyzes of a set of points sampled soil samples. For application of developed software, mapped plains of North Amvrakikos, selected. According to the relative soil survey (Kosmas and others 2009) where recorded the following properties: Physical properties: soil depth, presence of organic horizon, granulated, hydromorphic, Stones and gravel, slope of the land, degree of erosion, and Structure porosity (Bulk density, pore volume and distribution, air permeability, aggregate stability), invasiveness and chemical properties: pH, C / N, calcium carbonate and magnesium carbonate, electrical conductivity, soluble salts (Na, K, Ca, Mg, Cl , SO4, CO3, HCO3), cation exchange capacity, degree of saturation with bases, exchangeable sodium (%) (ESP), sodium adsorption ratio (SAR), Exchangeable cations (K, Ca, Mg, H), available phosphorus, exchangeable or available P, K, Mg, Na, Cu, Mn, Zn, B, Fe, Al, As, Ni and Cr. The values of soil properties compared with the soil requirements of vines, olives, corn, tomatoes which selected for the trial use of the software. The final evaluation of soil suitability in classes FAO (S1, S2, S3, N1, N2) made using three methods: i) a simple method where final evaluation occurs by the highest restriction, ii) the method of multiple constraints classes suitability calculated on the individual properties and iii) the parametric method in this method, using numeric designations assigned in the evaluation of each property and calculate an index C. In our application used to evaluate the properties: Physical properties: Depth ground granulated depths 0-25cm., 25-75cm., 75-150cm., Hydromorphic, Stones and gravel, slope of the land, degree of erosion , Presence of carbonates and 4 Chemical properties: C.E.C , B.S., organic matter, salinity. Prepared vector files polygons of M.U. and sampling points to be usable by the application developed. A detailed guide application manual was written, which, initially presents the minimum requirements of the application and the developed files. Then describe how to prepare the crop’s soil requirement table and preparation of data of soil properties. After is described the process of inputting the soil properties vector file, selecting properties fields and choose the crop which soil will be evaluated. Then, is described, the evaluation method of land with all of three methods and the way which results exports to the attribute table of the vector file. Finally is described the function of software for visualization and Mapping of results. Using software developed with the data of the study area led to some conclusions regarding both the application itself and for itself the result of the evaluation. The software provides convenience in "inputting" data, their evaluation and export, visualization and mapping results. Offer time savings as a result of rapid evaluation and the easy export of results. Ease use of the application supported by the fact that the operating environment is familiar to the average user which is none other than the ArcMap. The software extension with new is also a simple process. Data preparation is a drawback and perhaps not future support of software by upgrade of ESRI products The result of the evaluation, based on soil data of study area which used for monitoring the software led us to the following conclusions: As regards the methods of evaluation simple and multiple gives similar results, and the only one that differentiates them is parametric. The addition of the chemical properties of soils in the evaluation gives common outcomes, comparing the evaluation of physical properties by approximately 75% for the crops of vines, tomato, and maize. For crop olive common results are much lower rate of 40%. Suitable crop for area is corn which evaluated by three methods. Olive follows and rather unsuitable for the entire region the tomato and vine.