Программные и технические средства точного земледелия на примере зарубежного опыта

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.00 (1 Голос)

Предлагаемые системы принципиально подобны и отличаются лишь некоторыми техническими характеристиками. Напри­мер, Green-star имеет наибольший объем памяти, позволяющий осуще­ствлять картирование поля на протяжении всего вегетационного перио­да. Кроме того, в этой же системе точного земледелия за счет установки датчика в зерновой элеватор обеспечивается получение беспрерывной информации о влажности зерна, в то время как другие системы дают лишь средние показатели, ибо датчик обычно устанавливают в зерновой бун­кер. Поэтому построенная карта влажности зерна на ноле получается точ­нее. Важная особенность этой системы состоит также в том, что она по­зволяет получить в процессе сбора урожая и карту рельефа поля. Все это нужная информация для планирования точного земледелия. Несмотря па указанные преимущества, система Grcen-Slar менее популярна, чем. па-пример, система Fieldstar. Причина — существенная разница в стоимос­ти.

Вначале FiеldStar возник как датчик урожайности культуры поля, работающий во время сбора урожая. Он был установлен на комбайн Massey Ferguson и позволял следить за урожайностью во время работы комбайна. Первые учеты урожая были проведены в 1984 г. Так как в те годы системы позиционирования еще не было, то работы проводилась следующим образом: один человек управлял комбайном, второй — запи­сывал данные урожая с каждого убранного квадрата поля. С помощью этих данных была сделана первая карта урожайности поля в режиме on­line, которая показала различия в урожае на поле до 10 т/га. Уже эти самые первые результаты показали большую научную и практическую перспективность выравнивания урожайности на поле.

В 1985-1986 гг. были разработаны зерновая сеялка и разбрасыва­тель минеральных удобрений, которые могли работать но заранее состав­ленному плану. Таким образом стало возможным нормы высева семян и внесения удобрений согласовать с картон урожайности.

В 1991 г. Massey Ferguson продал в Европе первую версию Fieldstar (уже оборудованную GPS, правда, с низкой разрешающей способностью — всего лишь 100 м). И почти сразу же система приобрела мировую известность и стала распространяться в мире буквально лавинообразно. По свидетельству М. Мура (2002), теперь FieldSlar применяется, по край­ней мере, в 25 странах, в том числе в Китае, Бразилии, Польше, Судане, то есть, не только в развитых аграрных странах, но и в странах, испове­дующих чуть ли не средневековые способы производства сельскохозяй­ственной продукции.

FieldSlar, вначале предложенная как система картографирования урожайности культуры па поле в режиме on-line, постоянно совершен­ствуется, расширяет функции и снижает стоимость. Сегодня она способ­на определять местоположение с точностью даже в 1 см, надежно совме­щается с другими системами (например, системой автоматического под­держания колей при маршрутной технологии выполнения машинно-трак­торных операций), создании паспортов поля, карт разнообразных внесе­ний, засоренности и в других целях. По сути, сегодня это многофункцио­нальная информационная система, незаменимая в работе сельскохозяй­ственного менеджера.

Немаловажный фактор успеха FieldSlar в Европе были ее несомнен­ные возможности в охране окружающей среды, которым как раз в эти годы стали придавать определенное значение. FieldSlar за счет экономии горючего, гербицидов, пестицидов и азотных удобрений действительно содействовала экологическому оздоровлению. Ведь беспроблемная часть поля при внедрении этой системы не обрабатывалась, по возделывалась, а уж совсем непригодные участки выводились из нашим вообще. Кроме того, она повысила культуру сельскохозяйственного труда за счет улуч­шения п использования информации, компьютеризации и одновременно повысила его эффективность.

Вначале о принципах точного земледелия

Точное земледелие направлено па уменьшение вариабельности уро­жая. Если в одной части поля урожай зерновых культур составляет 5, а в другой — 10 т/га, то нужно попытаться устранить разницу.

Увеличение урожая не должно быть достигнуто за счет пропорции  увеличения вложений. Это должно быть осуществлено скорее за счет перераспределения ресурсов.

Более эффективное вложение ресурсов должно благоприятным об­разом сказаться на состоянии окружающей среды.

Стимулом для развития точного земледелия послужили карты уро­жая культур, которые стали возможны после того, как в начале 90-х го­дов на комбайны начали устанавливать глобальные системы позициони­рования. Однако еще некоторое время было не ясно, как фермеру вос­пользоваться ими. Ведь карты лишь демонстрировали наличие вариабель­ности урожая, но не раскрывали се причины.

Целью проекта, выполнявшегося с 1996 по 2001 гг., было выяснить причины вариабельности урожая и выработать практические предложе­ния но внедрению точного земледелия па примере возделывания озимой пшеницы и внесения азотных удобрений. О состоянии азотного режима почвы и его вариабельности судили изданных о плотности всходов расте­ний и так называемом индексе «зелености», привлекая для этих целей цифровые фотографии посевов. Эту информацию получали из двух источ­ников — спутников, а также датчиков, которыми был оборудован трактор.

В проекте приведено немало экономически важных данных, кото­рые представляют интерес. Приведем некоторые из них. Применение точ­ного земледелия является экономически привлекательным, даже если оно используется только в виде отдельных элементов и па небольшой площа­ди. В сравнении с традиционной технологией выгода может достигать от применения азотных удобрений — до 22 фунтов па га, гербицидов — До 18, фунгицидов — до 20 фунтов на гектар. Оборудование фермы для ве­дения точного земледелия в зависимости от полноты системы и размера хозяйства стоит от 2 до 18 фунтов на гектар. Кроме того, требуется поне­сти затраты на сбор информации и разработку рекомендаций. В зависи­мости от источника информации (спутник, самолет или радиометр, уста­новленный па тракторе) они могут значительно изменяться, минимально — от 7 фунтов. Устранение пестроты содержания азота в почве требует 65 фунтов на гектар в год. Корректировка переувлажнения уменьшает выгоду па 185 фунтов па гектаре.

Выгода для окружающей среды усматривается прежде всего в том, что уменьшается уровень применения азотных удобрений в сравнении со стандартной технологией. Например, на одном из участков ноля, где был установлен лизиметр и где была уменьшена доза внесения удобрений, количество выщелоченных азотных удобрений уменьшилось на одну треть.

Освоение точного земледелия

Рекомендуется начать с тщательного изучения своего участка. Обратить внимание па то, есть ли па нем визуалыго различимые особенности, когда ноле свободно от растений. После того, как поле засеяно, нужно отметить полноту появления всхо­дов, заметить влияние удобрений, подкормки, внесения пестицидов, идентифицировать места, где проявляется переувлажнение или недо­статок влаги. Важно контролировать качество проведения всех меха­низированных работ — точность высева, внесения удобрений, обработ­ки посевов, уборки урожая. Очень желательно иметь представление о гранулометрическом составе, структуре почвы, наличии уплотненных прослоек, развитии корневых систем в процессе вегетации растений. Для этого нужно иметь бур, пробурить несколько скважин и отметить эти важные особенности почв и произрастающих на нем растений.

Следующий этап освоения точного земледелия состоит в том, чтобы дать оценку вариабельности ноля. Для этого нужно привлечь данные аэро­фотосъемки и дистанционного зондирования поля, а также исследовать пестроту урожая путем отбора снопов с достаточной частотой.

Эти два этапа работы должны дать ответ па вопрос, какова часть ноля должна быть улучшена. В зависимости от размера установленной площади и полноты освоения точного земледелия, землепользователь выбирает нужную стратегию. Для облегчения выбора авторы проекта приводят следующую нормативную таблицу 1.

Таблица 1. Минимально необходимая прибавка урожая, для того чтобы оправдать инвестиции

Уровень

Инвестиций,

Фунты

Площадь,

Требующая

Улучшения,

%

Площадь поля (хозяйства), где предполагается внедрить точное земледелие, га

250

500

750

1000

1 (4500)

5

1,44

0,72

0,48

0,36

 

10

0,72

0,36

0,24

0,18

 

20

0,36

0,18

0,12

0,09

 

30

0,24

0,12

0,08

0,06

2 (11000)

5

3,81

0,91

1,27

0,95

 

10

1,91

0,95

0,64

0,48

 

20

0,95

0,48

0,32

0,24

 

30

0,64

0,32

0,21

0,16

3 (16000)

5

5,68

2,84

1,89

1,42

 

10

2,84

1,42

0,95

0,71

 

20

1,42

0,71

0,47

0,35

 

30

0,95

0,47

0,32

0,24

Первый уровень инвестиций предполагает минимальные вложения и соответственно освоение лишь отдельных элементов точного земледе­лия. При этом, например, на ферме площадью 750 гектаров при мини­мальной площади (5%), где требуется повышение плодородия за счет более рационального перераспределения азотных удобрений необходимо добиться повышения урожайности на 0,24 т зерна озимой пшеницы на каждом гектаре. При этом будет достигнут возврат вложенных 4500 фун­тов (цена 1 т зерна пшеницы принята равной 65 фунтов). Авторы разра­ботки, кстати, гарантируют достижение такого результата при условии соблюдения предложенных рекомендаций.

В чем же состоит суть точного земледелия и за счет чего можно по­лучить прибавку урожая, экономя при этом ресурсы.? Рассмотрим этот вопрос детальнее. Но сразу же подчеркнем, что точное земледелие на фоне имеющейся усредненной информации о поле не даст никакого эффекта и его применение нецелесообразно.

Как уже было упомянуто, первым необходимым атрибутом точного земледелия является карта урожайности поля. Она дает обобщенную оценку пестроты плодородия поля, не вскрывая ее причины. Вместе с тем, опираясь па известные и хорошо изученные факты, мы сможем достаточ­но полно их установить. Это наличие в пределах поля разных ночи, обла­дающих неодинаковым уровнем природного плодородия, различным гран-составом, структурой, мощностью гумусированного и соответственно корнеобитаемого слоя. В поле могут встретиться повышенные и понижен­ные участки, где формируется различный режим увлажнения — соответ­ственно с оттоком или аккумуляцией влаги. Вследствие применения в предыдущие годы несовершенной техники внесения удобрений могут об­разоваться зоны с избыточной, умеренной и недостаточной обеспеченно­стью элементами питания растений. Могут быть причины пестроты, свя­занные с локальными проявлениями заболеваний, конкуренцией сорня­ков. Кроме того, весьма распространены причины, объясняемые за счет несовершенства сеялок, допускающих пропуски и неточности при севе, а также опрыскиватели, часто неравномерно распыляющие химические препараты,

Выше перечислены общие причины, но они должны быть установ­лены применительно к конкретному полю. Для этого используются мате­риалы дистанционного зондирования и детальное почвенно-агрохимическое обследование почв. С сожалением приходится констатировать, что медленное развитие дистанционного зондирования тормозит не только проведение нового тура почвенных обследований, по и освоение точного земледелия. Кажется, именно в этом последнем аспекте преимущества дистанционного зондирования выглядят особенно наглядно. В Великобритании и этом плане дистанционное зондирование развивается, види­мо, успешнее. Примером тому служит метод электромагнитной индук­ции, используемый в целях выявления зон с разным уровнем почвенного плодородия и соответственно применения различных технологий. Метод пока не может дифференцировать состояние почв в отношении отдель­ных элементов плодородия, однако хорошо коррелирует с данными плот­ности всходов и индекса «зелености» растительного покрова. Более того, EMI — диагностика во многих случаях позволяет избежать проведения дорогостоящего агрохимического обследования и достаточно надежно, по сообщению авторов, выявляет зоны с разным уровнем почвенного плодородия.

Данные аэрофотосъемки, имеющиеся в архивах (в Украине они так­же накапливаются и могут предоставляться на коммерческих условиях) также могут помочь в оценке пестроты поля. Используя эти снимки, сде­ланные в разнос время года, можно по цвету уточнить диагностику поля по имеющимся па нем типе» почв, их границы, Грансостав, очертить бо­лее и менее увлажненные части и даже (если использовать данные дру­гих типов зондирования) мощность гумусированной толщи и уровень грун­товой воды. Кроме того, для выявления пестроты поля немаловажное значение имеют фотографии растительного покрова, особенно если та­ковые имеются за несколько лет. Если па них границы зон относительно стабильны, то это. безусловно, свидетельствует в пользу различий в поч­венном плодородии.

В случае необходимости описанные выше методические подходы к выявлению пространственной неоднородности ноля дистанционными средствами дополняются отбором образов и непосредственным (контакт­ным) исследованием пестроты элементов плодородия почв.

Все описанные предварительные операции (карты урожая, аэрофо­тосъемка, цифровые спутниковые фотографий, материалы других видов зондирования, EMI — диагностика и, если нужно, полевое почвеппо-агрохимическое обследование) предназначены для выявления частей поля либо фермы (хозяйства), где требуется применять разные технологии возделывания озимой пшеницы (напомним, что авторы наибольшее вни­мание уделили внесению азотных удобрений). На этом же этапе опреде­ляют главные меры, которые должны быть применены на поле с учетом выявленных причин его различного плодородия. Например, среди пос­ледних могут быть меры по улучшению дренирования, повышению эф­фективности действия средств защиты растений от болезней, вредителей, сорняков, совершенствованию обработки (углубления, интенсификации, минимизации, изменения способа), или, наконец, другие меры, связан­ные с повышением квалификации персонала. Последнее должно быть применено, если установлены факты неточной настройки высевающих аппаратов, ошибок в расчетах доз удобрений, ненадежной работы машин и агрегатов.

Содержание доступных форм фосфора и калия в описываемом проекте не изучали, а использовали данные последнего тура агрохимического обследования. В Великобритании такое обследование проводите» каж­дые 3-4 года в отличие от Украины, где оно повторяется каждые 5 лот. Авторы рекомендуют воспользоваться этими данными и в рамках проек­та не проводили дополнительное обследование на фосфор и калий. Ко­нечно, если варьирование этих элементов невелико, то и нам следует вос­пользоваться такой рекомендацией. Вместе с тем только непосредствен­ная констатация выравненного содержания этих элементов в почвах ноля позволит отказаться от их пространственного изучения. Ведь в Великоб­ритании опыт интенсивной химизации насчитывает более 150 лет, а в Украине всего лишь 25 (с 1965 по 1990 гг.) и к тому же у нас он не был столь же эффективен.

Используя заимствованные данные о содержании в почвах поля под­вижных форм фосфора и калия, рекомендуется таким образом планиро­вать внесение соответствующих форм удобрений: если оно выше крити­ческого индекса (равно оптимальному уровню), то фосфорных и калий­ных удобрений не вносят, близко к тому — удобрения вносят из расчета выноса озимой пшеницей, меньше критического индекса — ту же дозу, что и в предыдущем случае, плюс некоторое дополнительное количество.

Не забыты в проекте и микроэлементы. Здесь авторы рекомендуют отобрать образцы почв в выделенных па основании EMI — диагностики и других дистанционных методов зонах с разным уровнем плодородия1 и в случае их дефицита пополнить ими почвы до критического (оптимально­го) уровня.

Основная часть проекта, как мы отмечали, посвящена выработке стратегии азотного питания на примере точной технологии возделыва­ния озимой пшеницы.

Осенью при осуществлении посева норма высева семян рассчитывает­ся так, чтобы добиться к уборке 400-600 плодоносящих колосьев на 1 м2.

Важно подчеркнуть, что стратегия базируется па дистанционных средствах контроля состояния азота в почве. Учитываются также ранее выделенные с помощью EMI —диагностики или почвенно-агрохимического картографирования зоны различного уровня плодородия. Решение о дозах непосредственно вносимого в почву азотного удобрения прини­мается на основании косвенных данных определения плотности всходов озимой пшеницы и результатов измерения индекса «зелености». Кроме того, для расчета доз внесения азотных удобрений используют выбранный уровень инвестиций и, конечно, потребность озимой пшеницы в азо­те на планируемый урожай. Общая потребность в азотном удобрении рас­считывается с учетом того, что только 60% азота непосредственно исполь­зуется озимой пшеницей. Затем общая доза (примерно 90 кг д. в. на 1 га) делится на три части в соотношении 23-29:30-32:37.

Первая часть вносится весной, исходя из данных плотности всходов на поле, и увеличивается там, где она ниже по сравнению с нормой (она называется основной) для этой фазы развития растений. Соответственно там, где она равна норме, первая часть равна основной норме. Наконец, там, где плотность всходов выше нормы, первая доза внесения удобре­ний уменьшается либо не вносится вовсе. В последнем случае разница добавляется к основной норме и она при этом возрастает.

Вторая часть нормы вносится на основании данных индекса «зелености» — Green area index (GAI), полученных в результате дистанцион­ного зондирования посевов. Доза регулируется в зависимости от состоя­ния растений и его соответствия оптимуму для данной фазы развития ози­мой пшеницы. Если развитие растений отстает от оптимума, вносят ос­новную норму, соответствует или опережает — несколько ниже или столько же, что основная норма. Обязательно учитывают результаты пре­дыдущей диагностики плотности всходов.

Третья часть нормы вносится па основании данных повторной диаг­ностики GAI. Доза внесения также регулируется в зависимости от состо­яния растений и от результатов предыдущей диагностики.

Как видно из проекта, средства дистанционного зондирования яв­ляются решающими в обосновании точной технологии возделывания ози­мой пшеницы. Конечно, такой подход заслуживает самого пристального внимания в силу его значительных преимуществ (временных, организа­ционных, экономических и даже социальных) в сравнении с традицион­ным почвенно-агрохимическим обследованием. Кроме того, средства ди­станционного зондирования могут стать источником дополнительной и важной информации для контроля выполнения технологических опера­ций. Так, сканирование посевов после проведения азотной подкормки может дать оперативные сведения о качестве и результатах этой работы. Для этого требуется оборудовать трактор соответствующим сканером либо воспользоваться аэронесущим сканером и фотокамерой.

Такое сканирование оказывается полезным и при определении со­стояния растений и решении вопроса о необходимости их обработки гер­бицидами, фунгицидами или регуляторами роста. На приводимом ниже рисунке 10.8.1 из анализируемого проекта достаточно хороню видны зоны с различным состоянием растений и соответственно для дифференциро­ванного внесения химических препаратов.

дистанционное сканирование

Несомненно положительным моментом в проекте является то, что наиболее трудоемкие операции, связанные с выявлением пестроты поля, минимизируются за счет применения информативных и теперь уже отно­сительно недорогих дистанционных средств. Кроме упомянутого скани­рования плотности всходов и индекса GAI, в предлагаемой технологии с успехом, повторяем, применяются метод электромагнитной индукции (EMI — диагностика), с помощью которого находят зоны с различным Том числе дефицитным, лимитирующим урожай) уровнем почвенного пло­дородия. Авторы полагают, что эта диагностика даст обобщенное пред­ставление о факторах неоднородности поля — текстуре, структуре, водоудерживающей способности, дренированное, рН, обеспеченности эле­ментами питания. Информативность последней повышается, если она делается ежегодно и синхронно совмещается с картами урожаев сельско­хозяйственной продукции. Примеры карт, полученных с помощью мето­да ЕМ1 и комбайна, оборудованного GPS и устройством для учета срезан­ной массы надземной продукции, приведены на рис. 10.8.2.

Изложенный опыт применения дистанционных средств в точном зем­леделии не является чем-то уникальным.

Приведем еще один пример реализации данных точной диагностики содержания хлорофилла в посеве зерновой культуры для уточнения ре­комендаций по внесению азотных удобрений (рис. 10.8.3.). Карта заим­ствована нами из публикации В. П. Якушева и др. (2002). Она дает очень четкое представление о различном состоянии растительного покрова па поле.

хлорофильная карта поля

 

Далее имеет смысл подробнее рассмотреть построение карт урожай­ности методом крайгинга. Для этого на комбайне устанавливается объем­ное (для учета зерна) или весовое (корне - и клубнеплодов) измеритель­ное устройство. Географические координаты при движении комбайна определяются с помощью DGPS (дифференциальпая глобальная позици­онная система), позволяющей очень точно находить местоположение. Данные учета урожая, синхронизированные с координатами, подверга­ются так называемой процедуре фильтрации и преобразованию. Ее цель — минимизировать ошибки, возникающие между моментом фиксации координат (что осуществляется практически мгновенно) и учетом продукции, которая попадает в мерный бункер с некоторым опозданием Далее применяется крайгинг-анализ, который состоит в интерполяции полученной информации. Интерполяция требуется для поиска средних значений в точках, где не производились измерения. Теория крайгинга достаточно сложна. Укажем лишь, что эта процедура применяется тогда, когда нужно по­строить карту по пространственно распределенным данным. При ЭТОМ предполагается, что измеренная характеристика является случайной фун­кцией, которая может принимать либо одно и то же значение (тогда это случайная функция стационарности первого рода), либо изменчивые зна­чения (стационарность второго рода). Во втором случае образуется дис­персия как смещение функции по отношению к аргументу. Смещение функции в зависимости от расстояния между точками опробования ис­следуется с помощью вариограммы. Далее осуществляют ряд преобразо­ваний с целью нахождения интерполяционного соотношения и минималь­ной дисперсии, и, в конце-концов, рассчитывают положение границ контуров с близкими значениями дисперсий и строят карту.

Как уже упомянуто, измерение урожайности зерновых культур про­изводится непосредственно в бункере комбайна. Для корне - и клубнеп­лодов используется специальный прицеп-трейлер, созданный корпорацией AGKO (Massey Ferguson) в содружестве с SiLsoe College.

Последовательность операций от определения местоположения ком­байна до получения карты демонстрируется иа рис. 10.8.4.

Точное земледелие за рубежом стимулировало развитие нового на­правления is производстве сельскохозяйственной техники —так называе­мых intelligence machines («умных машин») или I-machines. Это тракто­ры, комбайны пли другая сельскохозяйственная техника, оборудованная бортовыми компьютерами, средствами спутниковой связи, радионавига­ции, контроля состояния почвы и растения, программными продуктами, способными анализировать, аккумулировать, картографировать про­странственно распределенную информацию и выдавать управляющие решения в режиме on-line. Функции I-machines пе сопоставимы с функ­циями прежних сельскохозяйственных машин, способных в лучшем слу­чае контролировать качество выполнения лишь некоторых операций (на­пример, сева) и практически пс способных контролировать параметры ноля и растений и адаптировать к ним содержание технологических опе­раций. Главная задача машин нового поколения — создать цифровую кар­ту параметров поля. В соответствии с ней машины комплектуются нуж­ными электронными средствами. Здесь не было каких-либо революцион­ных новаций. Ведь речь шла по сути всего лишь об адаптации известных средств позиционирования и обработки атрибутивной пространственной информации к мобильным сельскохозяйственным агрегатам.

получение карты

 

Революционность технологии точного земледелия следует рассматривать в другом — разработке и использовании широкого арсенала НОВЫХ ТеХНИЧеСКИЙ решений контроля пестроты плодородия поля и состояния растений и режиме on-line, а также принципиально новых устройств, воспринимающих управляющие директивы и способных адаптировать технологии к параметрам поля и растений. Именно но этой причине за рубежом и на­стоящее время бурно развиваются наземные и космические дистанцион­ные средства контроля — относительно известные (анализ спектральной многоканальной космической информации), менее известные (различ­ные виды радарного и электромагнитного зондирования) и ранее прак­тически неизвестные (например, электропроводность в целях контроля уровня плодородия почв) методы.

Нельзя не обратить внимание па активный поиск новых индикато­ров для точного земледелия, например, твердость почв. Теперь, кажется, этот достаточно известный показатель, характеризующий прочностные связи в почве, найдет применение для оценки пространственных особен­ностей физических свойств почв.

В связи с возрастанием интереса к точному земледелию появились новые потребители у аэрофотосъемки, возможности которой казались уже исчерпанными.

Нельзя не отметить, что в Украине, начиная с 90-х годов минувшего столетия, ведутся активные разработки I-machines. Это средства механи­зированной прополки и прореживания плантаций. Это рабочие органы, приспособленные для внесения различных норм удобрений в соответствии с картограммой урожайности культур на поле. Наконец, агрегаты для внесения гербицидов с учетом состояния растений. В основе всех этих работ лежат способности растений специфическим образом реагировать на импульсы различной природы — электрические, магнитные, оптичес­кие. Используя ответную реакцию растений на воздействия, удалось раз­работать соответствующие индикаторы, а затем и методы распознавания видов растений и их состояния.


Программные и технические средства точного земледелия на примере зарубежного опыта - 4.0 out of 5 based on 1 vote