Παρακολούθηση ρύπανσης από χημικά φυτοφάρμακα στο οικολογικό περιβάλλον μέσω GIS

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: The monitoring of chemical pesticides pollution on ecological environment by GIS

Συγγραφείς: Bin Zhou, Xin Li

Δημοσιεύθηκε: 13 Μάρτιος 2021

Λέξεις κλειδιά: GIS, χημικά φυτοφάρμακα, οικολογικό περιβάλλον, παρακολούθηση ρύπανσης

Αντικείμενο εφαρμογής: Παρακολούθηση ρύπανσης μέσω GIS

DOI: https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101506

1. Εισαγωγή

Η χρήση φυτοφαρμάκων στη γεωργία της Κίνας έχει αυξήσει την απόδοση και την ποιότητα των καλλιεργειών, αλλά έχει προκαλέσει σοβαρές περιβαλλοντικές και υγειονομικές επιπτώσεις, όπως ρύπανση και υπολείμματα σε τρόφιμα και νερό. Η τεχνολογία GIS αναδεικνύεται ως ένα πολύτιμο εργαλείο για τη γεωργία, με εφαρμογές στην παρακολούθηση της ρύπανσης από χημικά φυτοφάρμακα. Η μελέτη παρουσιάζει ένα σύστημα παρακολούθησης βασισμένο σε Web GIS για την παρακολούθηση της ρύπανσης από φυτοφάρμακα, την ανάλυση τάσεων χρήσης και την αξιολόγηση των οικολογικών επιπτώσεων. Το σύστημα συγκεντρώνει δεδομένα για τη χρήση φυτοφαρμάκων, όπως είδη, ποσότητες και επιπτώσεις, και αναλύει περιοχές και τάσεις χρήσης. Συνδυάζοντας τεχνολογίες τηλεπισκόπησης και ανάλυσης δεδομένων, παρουσιάζει τα αποτελέσματα μέσω γραφημάτων, προσφέροντας ολοκληρωμένη πληροφόρηση για την παρακολούθηση της ρύπανσης. Με την ενσωμάτωση της τεχνολογίας τηλεπισκόπησης, χωρικών δεδομένων και μοντέλων αγροτικού τοπίου, το σύστημα προσφέρει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για τη βελτίωση της διαχείρισης φυτοφαρμάκων, την προστασία των οικοσυστημάτων και την προώθηση της βιώσιμης γεωργικής ανάπτυξης στην Κίνα.

2. Τεχνολογία GIS

Το Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών (GIS) συνδυάζει την τεχνολογία υπολογιστών με χωρικά δεδομένα, επιτρέποντας την ανάλυση και επεξεργασία σχέσεων στο χώρο μέσω της μετατροπής δεδομένων σε συντεταγμένες. Με την πρόοδο της επιστήμης, της τεχνολογίας και των δικτύων, το GIS έχει εξελιχθεί σε συστήματα βασισμένα στο Διαδίκτυο, παρέχοντας στους χρήστες τη δυνατότητα πρόσβασης, περιήγησης, αναζήτησης και ανάλυσης χωρικών και γεωγραφικών δεδομένων, αντανακλώντας τη διευρυμένη εφαρμογή και ανάπτυξή του.

2.1. Χαρακτηριστικά GIS

Η τεχνολογία GIS, σε συνδυασμό με εφαρμογές στο διαδίκτυο, ξεπερνά τους περιορισμούς των παραδοσιακών συστημάτων GIS, διευρύνοντας την πρόσβαση, τη χρηστικότητα και την αποδοτικότητα. Τα βασικά χαρακτηριστικά του Web GIS περιλαμβάνουν εκτεταμένη και συνεχόμενη πρόσβαση, επιτρέποντας στους χρήστες να ανακτούν χωρικά δεδομένα από πολλούς διακομιστές εύκολα. Η πλατφόρμα είναι ανεξάρτητη από λογισμικά, διασφαλίζοντας συμβατότητα και κοινή χρήση δεδομένων. Επιπλέον, το Web GIS είναι οικονομικά αποδοτικό, φιλικό προς τους μη ειδικούς χρήστες, και προσφέρει υψηλή υπολογιστική αποδοτικότητα με ισορροπημένη κατανομή φόρτου, βελτιστοποιώντας την απόδοση και τη χρηστικότητα.

2.2. Τάσεις ανάπτυξης των GIS

Οι τάσεις ανάπτυξης του Web GIS αναδεικνύουν τη σύνδεση της τεχνολογίας GIS με το Διαδίκτυο, δίνοντας έμφαση στη διεύρυνση της λειτουργικότητας, της πρόσβασης και της ποικιλίας εφαρμογών. Σημαντικές εξελίξεις περιλαμβάνουν την ενοποίηση των μορφών ανταλλαγής χωρικών δεδομένων, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις όπως η πολυπηγή και η πολυκλίμακα αναπαράσταση, με το XML να προβλέπεται ότι θα διευκολύνει την τυποποίηση και τη διαλειτουργικότητα. Το Open GIS παρέχει διαφανή πρόσβαση σε διαφορετικά γεωγραφικά δεδομένα και μεθόδους επεξεργασίας, προσφέροντας φορητότητα, επεκτασιμότητα και συμβατότητα. Η ολοκληρωμένη διαχείριση χωρικών δεδομένων μέσω συστημάτων Client/Server ενισχύει την αποθήκευση, την ακεραιότητα και την επεξεργασία πολλών χρηστών, ενώ η κατανεμημένη υπολογιστική τεχνολογία υποστηρίζει τη χρήση του GIS σε διάφορους τομείς. Η εικονική πραγματικότητα εισάγει τρισδιάστατη οπτικοποίηση και πλοήγηση, βελτιώνοντας σημαντικά την αλληλεπίδραση του χρήστη. Επιπλέον, η κινητή τεχνολογία επεκτείνει τις εφαρμογές του GIS, παρέχοντας δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, όπως πρόγνωση καιρού, τιμές μετοχών και ειδήσεις, καθιστώντας το GIS βασικό συστατικό των σύγχρονων πληροφοριακών συστημάτων.

3. Μέθοδος αξιολόγησης του αγροοικολογικού τοπίου

Η αξιολόγηση των αγροοικολογικών τοπίων αποσκοπεί στην ανάλυση της παρούσας κατάστασης των οικοσυστημάτων και στην αντιμετώπιση περιβαλλοντικών προκλήσεων. Εστιάζει σε δύο βασικούς τομείς: την εκτίμηση της πιθανότητας αρνητικών γεγονότων και την αξιολόγηση των επιπτώσεών τους. Η τεχνολογία τηλεπισκόπησης αξιοποιείται για τη συλλογή δεδομένων σχετικά με την αφθονία δασών, την πυκνότητα αγροτικών εκτάσεων και τους δείκτες κάλυψης βλάστησης. Η αφθονία δασών αναλύει τη διανομή της βλάστησης, η πυκνότητα αγροτεμαχίων αξιολογεί τη δομή των αγροτικών πεδίων, και οι δείκτες κάλυψης βλάστησης προσδιορίζουν την υγεία του οικοσυστήματος. Αυτοί οι δείκτες βασίζονται σε μαθηματικά μοντέλα και προσεγγίσεις που συνδυάζουν επιστήμες, όπως η οικολογία, η αισθητική και η ανάλυση τοπίου. Με την ενσωμάτωση ποικίλων πηγών δεδομένων, η αξιολόγηση παρέχει σαφή και εφαρμόσιμα συμπεράσματα για τη διατήρηση της οικολογικής ισορροπίας, τη μείωση των κινδύνων και την προώθηση βιώσιμων γεωργικών και περιβαλλοντικών πρακτικών.

4. Σχεδιασμός συστήματος πληροφοριών για το περιβάλλον εφαρμογής και την ασφάλεια των φυτοφαρμάκων της τροπικής γεωργίας με βάση το Web GIS

4.1. Αρχές και μέθοδοι σχεδιασμού του συστήματος

Ο σχεδιασμός του συστήματος Web GIS για τη διαχείριση φυτοφαρμάκων στη γεωργία τροπικών περιοχών δίνει έμφαση τόσο στις λειτουργικές όσο και στις μη λειτουργικές απαιτήσεις. Αυτές περιλαμβάνουν την απόδοση του λογισμικού, την επεκτασιμότητα, τη σταθερότητα, την ευκολία ανάπτυξης και ενημερώσεων, τη δυνατότητα συντήρησης, την ασφάλεια και τη φιλικότητα της διεπαφής. Ο σχεδιασμός καθοδηγείται από έξι βασικές αρχές: πρακτικότητα, που εξασφαλίζει τη χρηστικότητα σε πραγματικές συνθήκες, ασφάλεια, που προστατεύει δεδομένα και λειτουργίες, προσαρμοστικότητα και επεκτασιμότητα, που επιτρέπουν την ευελιξία του συστήματος, τεχνολογική πρόοδο, αξιοποίηση καινοτομιών, ανθεκτικότητα σε σφάλματα και φιλικότητα, που διευκολύνει τη χρήση.

4.2. Δομή λογισμικού του συστήματος

Η αρχιτεκτονική λογισμικού του συστήματος βασίζεται στο πρότυπο σχεδιασμού MVC (Model-View-Controller), όπου το μοντέλο διαχειρίζεται τα δεδομένα, η προβολή παρουσιάζει το περιεχόμενο στους χρήστες, και ο ελεγκτής χειρίζεται τις αλληλεπιδράσεις. Ο σχεδιασμός βασίζεται σε πηγές δεδομένων που συνδυάζουν τα μοντέλα δεδομένων εφαρμογών με τις προβολές των ιστοσελίδων. Εργαλεία όπως το MapXtreme Web control και το Visual Studio Web Form χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία εσωτερικών δομών δεδομένων που συνδέονται με εξωτερικές πηγές δεδομένων και περιεχόμενο χαρτών. Αυτή η προσέγγιση εξασφαλίζει ομαλή ενσωμάτωση, αποτελεσματική μετάδοση δεδομένων και αποτελεσματική αντιμετώπιση των αναγκών και των προβλημάτων των χρηστών.

4.3. Σχεδιασμός βάσεων δεδομένων του συστήματος

Ο σχεδιασμός της βάσης δεδομένων του συστήματος επικεντρώνεται στη διατήρηση και διαχείριση των συχνά ενημερωμένων γεωργικών δεδομένων στην Κίνα. Συνδυάζει χωρικές, στατικές και σε πραγματικό χρόνο βάσεις δεδομένων για την απλοποίηση της έρευνας και της εφαρμογής. Η χωρική βάση δεδομένων, σε μορφή ΤΑΒ, αποθηκεύει γεωγραφικά δεδομένα, όπως τοποθεσίες και όρια, διαχειριζόμενη μέσω του Workspace Manager και απεικονιζόμενη με την υπηρεσία MapXtreme Web Map. Η βάση δεδομένων χαρακτηριστικών, που διαχειρίζεται η Microsoft SQL Server 2005, αποθηκεύει μη χωρικά δεδομένα και συνδέεται με τη χωρική βάση μέσω αναγνωριστικών. Αυτή η προσέγγιση διασφαλίζει την ομαλή ενσωμάτωση διαφορετικών τύπων δεδομένων, επιτρέποντας την αποδοτική παρακολούθηση και διαχείριση.

4.4. Σχεδιασμός λειτουργιών του συστήματος

Το σύστημα WebGIS για την εφαρμογή φυτοφαρμάκων στη γεωργία τροπικών περιοχών προσφέρει μια ποικιλία λειτουργιών που συνδυάζουν αποδοτικότητα και ευχρηστία. Οι χρήστες μπορούν να αναζητούν γεωγραφικά δεδομένα μέσω δηλώσεων SQL, προσαρμόζοντας τις αναζητήσεις τους με βάση καθορισμένα χαρακτηριστικά. Τα δεδομένα εξάγονται σε μορφές Excel, PDF, bitmap ή JPG, υποστηρίζοντας την κοινή χρήση και την παρουσίαση αναφορών. Το σύστημα buffer εστιάζει σε δεδομένα εντός συγκεκριμένων ακτίνων, ενώ η λειτουργία διαχείρισης επιπέδων επιτρέπει την προσαρμογή, αναδιοργάνωση και διαχείριση χαρτογραφικών επιπέδων. Τα εργαλεία υποστήριξης αποφάσεων προσφέρουν στατιστική ανάλυση και οπτικοποίηση δεδομένων, με τη δημιουργία γραφημάτων και ταξινομημένων πινάκων. Το σύστημα υποστήριξης πελατών περιλαμβάνει πίνακα μηνυμάτων για άμεση επικοινωνία, φόρουμ για συζητήσεις και τεκμηρίωση για καθοδήγηση και ανατροφοδότηση. Παράλληλα, οι διαχειριστές μπορούν να ενημερώνουν, να διαγράφουν ή να δημιουργούν αντίγραφα ασφαλείας των δεδομένων μέσω της μονάδας συντήρησης, διασφαλίζοντας την ομαλή λειτουργία και την προσαρμοστικότητα του συστήματος στις ανάγκες των χρηστών.

5. Συμπεράσματα

Η σταθερή ανάπτυξη της κινεζικής γεωργίας, που οφείλεται στην οικονομική πρόοδο και τη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου, έχει οδηγήσει σε αυξημένες αποδόσεις καλλιεργειών και εξαγωγές, προσφέροντας σημαντικά οφέλη στην οικονομία. Ωστόσο, η ευρεία χρήση φυτοφαρμάκων, ενώ βελτιώνει την προστασία και την ποιότητα των καλλιεργειών, έχει προκαλέσει σοβαρά οικολογικά και περιβαλλοντικά προβλήματα, όπως ρύπανση, υπολείμματα φυτοφαρμάκων και βλάβες στην ανθρώπινη υγεία. Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, αναπτύχθηκε ένα σύστημα παρακολούθησης που βασίζεται στην τεχνολογία GIS. Το σύστημα συλλέγει δεδομένα σχετικά με τύπους, χρήσεις και επιδράσεις φυτοφαρμάκων, αναλύοντας τάσεις και παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα μέσω γραφημάτων. Με την ενσωμάτωση της τηλεπισκόπησης και την τήρηση αυστηρών αρχών σχεδιασμού, η έρευνα στοχεύει στη βελτίωση της εποπτείας της χρήσης φυτοφαρμάκων, την προστασία του οικοσυστήματος και τη βιώσιμη ανάπτυξη της κινεζικής γεωργίας.