Литература
Справочная информация
Для учебы
Программные и технические средства точного земледелия на примере зарубежного опытаПредлагаемые 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 земледелияРекомендуется 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
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. 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 (в 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.
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.
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
|
Материалы по темам:Основи картографії |