ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES

Application of principles of microservice architecture and big data processing for automation of analysis and forecasting of soil fertility indicators in agricultural lands

Authors

  • Dmitry I. Ivanov Far Eastern Federal University, 690922, Primorsky Krai, Vladivostok, Russky Island, Ajax Bay, 10
  • Bogdan D. Terekhin Far Eastern Federal University, 690922, Primorsky Krai, Vladivostok, Russky Island, Ajax Bay, 10
  • Evgeny O. Sheshenya Far Eastern Federal University, 690922, Primorsky Krai, Vladivostok, Russky Island, Ajax Bay, 10
  • Denis A. Startsev Far Eastern Federal University, 690922, Primorsky Krai, Vladivostok, Russky Island, Ajax Bay, 10
  • Evgeny L. Efremov Far Eastern Federal University, 690922, Primorsky Krai, Vladivostok, Russky Island, Ajax Bay, 10

How to cite

GOST Ivanov D. I., Terekhin B. D., Sheshenya E. O., Startsev D. A., Efremov E. L. Application of principles of microservice architecture and big data processing for automation of analysis and forecasting of soil fertility indicators in agricultural lands // Environmental Management Issues. 2025. Vol. 4. No. 5. P. 29-39. DOI: 10.25726/m4320-8014-9122-l
APA Ivanov, D. I., Terekhin, B. D., Sheshenya, E. O., Startsev, D. A. & Efremov, E. L. (2025). Application of principles of microservice architecture and big data processing for automation of analysis and forecasting of soil fertility indicators in agricultural lands. Environmental Management Issues, 4(5), 29-39. https://doi.org/10.25726/m4320-8014-9122-l

Abstract

The study addresses the gap between the demand for operational fertility management and the inert, labor-intensive practices of traditional agrochemical surveys. The objective is the development and validation of a hardware-software system that integrates principles of microservice architecture and big data processing to automate the analysis and forecasting of soil parameters. The scientific novelty lies in a scalable, fault-tolerant platform with asynchronous communication and elastic scaling, enabling analysis of heterogeneous data sources in near real time. The practical significance is the support of precision agriculture, acceleration of decision-making, and reduction of costs at the level of large agricultural enterprises during sowing campaigns. The methodological foundation includes decomposition into ingest data, data processing, ml analysis, forecasting engine, and api gateway services deployed in containers with orchestration and a message broker. A dataset for 2015-2024 was compiled: over 50,000 agrochemical points (humus, mobile forms of P and K, pH), multispectral images from Landsat 8 and Sentinel 2 with NDVI/EVI, SRTM, meteorological parameters, and agrotechnological operations. Gradient boosting and random forest were applied for current parameter estimation, LSTM for dynamics; validation was carried out using k-fold methodology with R², MAE, RMSE metrics, alongside performance testing on a 1 TB data package. The results demonstrated advantages over the monolithic approach: a 35,15% reduction in average processing time, a 93,37% increase in throughput, and a 49,5% reduction in the 95th percentile latency, with comparable peak CPU usage. Model accuracy is high: for humus R²=0.917, MAE=0,12%; for P2O5 R²=0.862, MAE=11,4 mg/kg. LSTM forecasts for K2O show R²=0.881 (1 year), 0.795 (3 years), and 0.713 (5 years) at p 0.001, providing short- and medium-term planning value. The discussion confirms that microservices eliminate bottlenecks through parallelism, isolation, and flexible scaling, while asynchronous patterns stabilize response under load. Integration of remote sensing, relief, and field data enables operational supply maps and predictive planning. Economic modeling for 10,000 ha indicates a 75% reduction in analysis costs, 18,7% fertilizer savings, a 6,4% increase in yield, and a 28,4% increase in profit. Future prospects include the integration of weather forecasts, MLOps, and prescriptive recommendations.

Keywords

microservice architecture big data soil fertility remote sensing machine learning

References

Буклагин Д.С., Аронов Э.Л., Чавыкин Ю.И. Разработка и создание базы данных агротехнологий // Проблемы качества продукции в XXI веке. Методы и технические средства испытаний и сертификации технологий и техники: мат. Межд. науч.-прак. конф. М., 2003. С. 3-16.

Вернюк Ю.И., Анисимов К.Б., Бакулин Д.А., Зеленин С.Н., Клещенко М.М. Инновационные методы и технические средства дистанционного мониторинга земель для информационного обеспечения систем управления плодородием почв и продуктивностью посевов в современных агротехнологиях // Инновационные процессы в АПК: мат. IV Международной науч.-прак. конф. преп, мол. ученых, асп. и студ. М.: Российский университет дружбы народов. 2012. С. 13-18.

Гончаров В.Д., Маглыш Е.Г., Моисеев К.Г. Агрофизический мониторинг и построение базы экспериментальных данных физических параметров почв // Материалы координационного совещания и научной сессии Агрофизического института. Санкт Петербург, 2009. С. 143-147.

Драгавцева И.А., Луценко Е.В., Лопатина Л.М. База данных автоматизированной системы мониторинга, анализа и прогнозирования развития сельхозкультур (База данных «Прогноз Агро»). Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2003620035. 20.02.2003.

Заплетин В.Я., Лунев А.Г., Лукин И.Д., Рязанов Н.А. Применение земельно оценочных данных для прогнозирования структур посевных площадей // Земельный кадастр и проблемы его информационного обеспечения: мат. науч.-прак. семинара. 1993. С. 24-27.

Лесных Е.А. Использование автоматизированных информационных технологий в агрономии // Аграрная наука сельскому хозяйству: мат. Всерос. науч.-прак. конф. 2009. С. 102-104.

Лисецкий Ф.Н., Пичура В.И. База данных «Оценка плодородия почв мелиоративных систем». Свидетельство о регистрации базы данных RU 2012620174. 10.02.2012.

Магафуров К.Б. Моделирование плодородия почвы на основе микропестроты // Эффективные приемы воспроизводства плодородия почв, совершенствование технологий возделывания, создание и внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур: сб ст. 1995. С. 55-57.

Максименко В.П., Павлущенко В.А. О разработке общей базы данных энергоэквивалентов ресурсов и энергосодержания в продукции растениеводства и плодородию почв // Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства в России: мат. Межд. науч.-прак. конф. (Костяковские чтения). 2013. С. 190-193.

Мамина Г.А. Использование микробиологических и агрохимических показателей при моделировании почвенного плодородия // Повышение плодородия орошаемых почв при интенсивном использовании: сб. науч. тр. Волгоград, 1989. С. 59-68.

Рощина Ж.В. Автоматизированные системы обработки информации в землеустройстве // Проблемы землеустройства и кадастров: мат. науч.-прак. конф. студ. и мол. учен. «Современные тенденции развития земельного кадастра и землеустройства в ЮФО». Новочеркасск: Новочеркасская государственная мелиоративная академия, 2005. С. 107-110.

Семёнов В.А., Кульков О.В., Петрова М.В. Приборное обеспечение принятия агротехнологических решений почвенно агрофизической информацией // Достижения науки и техники АПК. 2004. № 1. С. 13-16.

Семенов В.А., Петрова М.В., Кульков О.В. Приборное обеспечение почвенно-агрофизической информацией систем точного земледелия // Методическое и экспериментальное обеспечение адаптивно ландшафтных систем земледелия. АФИ 75 лет. СПб., 2007. С. 46-59.

Фрид А.С. Принципы разработки системы справочных данных по плодородию почв // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 1985. № 36. С. 6-8.

Чекмарев П.А., Лукин С.В. Использование геоинформационных систем при проведении мониторинга плодородия почв // Достижения науки и техники АПК. 2013. № 1. С. 3-5.

Issue

Section

ENVIRONMENT AND TECHNOLOGIES
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

<< < 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.