Журнал ФЕРМЕР
» » » ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Предложить свою тему

ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ


	

Авторы в виде отдельных вопросов и ответов на основные, злободневные вопросы внедрения и освоения точного земледелия в нашей стране и за рубежом предлагают читателям выявить свою степень компетенции (осведомленности).

 

Что такое точное земледелие?

Приведем некоторые из определений точного земледелия:

"Точное земледелие - интегрированная информационная и производственная с.-х. система, направленная на оптимизацию долговременной, изменяющейся в рамках всего хозяйства продуктивности при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду".

"Точное земледелие - физическое и финансовое дифференцированное управление с.-х. операциями, которое обеспечивает постоянный контроль, надежность и воспроизводимость результатов в с.-х. производстве, что способствует снижению затрат, вариабельности и повышению предсказуемости результатов".

Под точным земледелием понимают "совокупность технологических приемов для целенаправленной дифференцированной обработки отдельных частей поля с учетом мелкомасштабных особенностей природных условий для создания наиболее благоприятных условий роста и развития культурных растений в связи с неоднородностью поля по плодородию, распространению вредителей, болезней и сорняков, на основе концентрации технологических операций в пространстве, в оптимальные сроки и при рациональной дозировке с целью создать основу для экономически эффективного и экологически обоснованного землепользования".

 

Что составляет основу точного земледелия?

Дифференцированное выполнение операций, которое базируется на трех составляющих:

1) определение координат агрегата на поле. Это может быть сделано при помощи радио трилатерации или спутниковой навигации. Из последнего предпочтение отдается Дифференцированной Глобальной Системе Позиционирования (DGPS);

2) компьютеризированная база данных, аналогичная Географической Информационной Системе (ГИС), которая содержит всю информацию, необходимую для составления карт;

3) контролирующие элементы, при помощи которых осуществляются сельскохозяйственные операции в соответствии с электронной картой.

Учитывая, что две первые составляющие находят широкое применение в других областях, они легко проникают в сельское хозяйство. Несмотря на это, требуются специалисты, которые бы взяли на себя ответственность по адаптации их к нуждам сельскохозяйственного производства. Что касается третьей составляющей, то усилия ученых должны быть сосредоточены на разработке и создании надежных и точных машин и механизмов, необходимых для дифференцированного выполнения операций.

 

Что дает точное земледелие?

Точное земледелие характеризуется комплексом качественно новых признаков, предопределяющих:

- получение высококачественных и безопасных продуктов питания и сырья для промышленности;

- полную реализацию генетического потенциала новых сортов и гибридов при получении запрограммированных урожаев;

- уменьшение зависимости продуктивности и экологической устойчивости агроэкосистем от погодных факторов;

- экологизацию и биологизацию процессов на уровне агроэкосистем и технологий;

- снижение расхода техногенной энергии на каждую дополнительную единицу продукции;

- исключение загрязнения и разрушения природной среды.

 

Какова история развития точного земледелия?

Проследить историю развития этой технологии довольно сложно, так как в литературе ее называют по-разному: точное земледелие, прецизионное земледелие, координатное земледелие, информационная технология, точечная технология, технология с использованием GPS и др.

Однако Шуллер и Бае, Эллиот и Сирси сделали обзор ранних работ по данной проблематике.

Ряд новых работ опубликованы в последнее время, в специальном журнале Computers and Electronics in Agriculture (Компьютеры и электроника в сельском хозяйстве) и другие издания которые увидели свет в 1996-1997 гг.

Координатное (точное) земледелие объединяет технологии, при выполнении которых используются системы глобального позиционирования (GPS). Основной операцией в этих технологиях является составление карт урожайности во время уборки сельскохозяйственных культур. Это особенно популярно при комбайновой уборке зерновых и имеет в настоящее время коммерческий успех. Фирма Джон Дир представила прибор для мониторинга фирмы Грин Стар (GreenStar) (Мangold, 1995). Мэсси - Фергюсон представила на рынок систему для измерения урожайности Massey - Ferguson Datavision Yieldmapping в 1993. Первые опыты дифференцированного внесения удобрений и пестицидов описаны в журнале Rudolph and Searcy, (1994). Предпринимаются попытки разработки машин для дифференцированного посева, культивации, уборки.

Основными вехами развития точного земледелия в последнее десятилетие прошлого века были:

До 1988 г.: впервые применены разбрасыватели для дифференцированного внесения удобрений в Дании, Германии и США (AgriMatic(DK); CAF(D); SoilTeq (USA)).

1989 г: первая экспериментальная система для монитора урожайности с GPS , установлена на комбайне Deytz, испытана в Германии.

1989 г., 28 июня: дифференцированное внесение гербицида (Phenmedipham) с использованием системы глобального позиционирования GPS в зависимости от содержания органического вещества в почве, было осуществлено в северной Германии.

1991 г., 25 января: был проведен первый научно-практический семинар по использованию компьютеров в сельском хозяйстве (Computer Aided Farming), посвященный, главным образом, дифференцированному применению удобрений.

1991 г., июль: впервые был использован коммерческий образец монитора урожайности с GPS, выпускаемый фирмой Dronningborg A/S и T&O A/S, Randers (Дания), установленный на комбайне фирмы Case.

1992 г., 14 апреля: был проведен первый научно-практический семинар (Workshop) по точному земледелию (Precision Agriculture) в Блумингтоне шт. Миннесота (США).

1995 г.: организация центров по точному земледелию (Precision Agriculture Center) в университетах шт. Миннесота (США) и Сиднее (Австралия); выпуск коммерческой версии программного обеспечения LORISTM (информационная система по местным ресурсам), совместная разработка Kemira Europe, Wavre, Belgium and FAL, Braunschweig.

 

Что означает дифференцированное внесение удобрений?

Выполненный анализ влияния неравномерности распределения параметров плодородия на урожайность с.-х. культур показал, что при внесении удобрений с одной дозой на все поле, даже с высоким качеством распределения, существенно снижается их окупаемость. При таком способе внесения более плодородные участки, получая ту же дозу питательных веществ, что и менее плодородные, накапливают фосфор и калий в почве, а менее плодородные участки расходуют запасы питательных веществ почвы. Таким образом, одни участки поля становятся все более плодородными, в то время как другие постоянно истощаются. Несмотря на это, при разработке программ применения удобрений для каждого поля рассчитывают свою дозу, исходя из усредненных показателей.

Поэтому использование модели единообразия параметров плодородия каждого отдельно взятого поля, предусматривающей повышение эффективности применения удобрений посредством более равномерного распределения их по всей обрабатываемой площади, может быть сдерживающим фактором дальнейшего совершенствования как технологий, так и технических средств для их осуществления.

 

Чтобы устранить этот недостаток, необходимо обеспечить внесение удобрений на одном и том же поле дифференцированно, с учетом запаса питательных веществ на каждом участке поля и планируемой урожайности. Применения удобрений с учетом пестроты плодородия почвы может существенно повысить окупаемость удобрений и снизить загрязнение окружающей среды. Для системы применения удобрений, базирующейся на учете характеристик отдельных участков поля необходимы данные об урожайности, типе почвы и содержании питательных элементов каждого участка и жесткая их привязка к конкретному полю, где были взяты пробы. Внесение удобрений осуществляется дифференцировано на основе карты, полученной в результате координатной оценки содержания питательных элементов в почве, потенциальной урожайности, и предыстории урожайности, а также программы применения удобрений, которая может находиться в базе данных.

 


Основные элементы блоков технологии дифференцированного применения удобрений

 

Технология дифференцированного внесения удобрений предполагает широкое использование компьютеров, программных средств - геоинформационных систем (ГИС), данных дистанционного зондирования. Такие ГИС содержат информацию, необходимую для рационального применения удобрений. Например, данные о содержании в почве гумуса, фосфора, калия.

Преимущество компьютерной технологии состоит в том, что она позволяет земледельцам вести агропроизводство на экологически чистой основе, ориентированное на экономию удобрений, получение запрограммированных урожаев и предохранение окружающей среды от загрязнения.

 

Каковы преимущества дифференцированного внесения удобрений по сравнению со сплошным?

Дифференцированное внесение удобрений позволит:

повысить эффективность сельскохозяйственного производства;

снизить затраты удобрений;

улучшить ведение учета;

усовершенствовать систему принятия управленческих решений;

уменьшить загрязнение окружающей среды;

снизить риски, обусловленные природно-климатическими, политическими и социально-экономическими факторами.

 

Что означает технологические режимы off-line и on-line?

Наметились две концепции реализации технологий дифференцированного внесения удобрений.

1. Концепция, основанная на предварительном анализе состояния почвы и посевов в системе глобального позиционирования (GPS). Полученные данные интерпретируются с использованием Геоинформационной системы. Затем по определенной программе с учетом принятых ограничений и допущений разрабатывается план оптимального применения удобрений с целью получения заданной урожайности возделываемой культуры.

На основе обработки исходной информации разрабатывается электронная карта выполнения технологического процесса на соответствующем поле в принятой системе позиционирования.

В процессе движения машины-удобрителя по полю с помощью бортового компьютера в строгом соответствии с электронной картой контроллер обеспечивает внесение необходимых доз соответствующего вида удобрений на каждый элементарный участок поля с учетом фактической скорости агрегата и быстродействия исполнительных механизмов. Такая концепция реализации технологии дифференцированного внесения удобрений считается «on-line».

2. Концепция, основанная на получении информации о поле с помощью датчиков в реальном масштабе времени без использования электронной карты.

Датчики, функционируя в реальном масштабе времени, в процессе движения агрегата измеряют свойства почвы и характеристики растений. Затем посредством контроллера на основе полученной информации от датчиков регулируется доза внесения удобрений или средств защиты растений. Датчики при этом обеспечивают подачу непрерывного потока информации на контроллер, на основании чего осуществляется внесение дифференцированных доз удобрений на каждый элементарный участок поля. Такая технология не требует GPS и считается «off-line».

 

Каковы преимущества и недостатки концепции «on-line».

Преимущества концепции «on-line»:

позволяет составлять более точную карту пестроты плодородия поля на основе предварительного отбора проб в системе позиционирования;

позволяет более точно дозировать с учетом фактора упреждения;

позволяет заранее установить объем применения удобрений.

Недостатки концепции «on-line»:

технология, базирующаяся на электронной карте, требует системы глобального позиционирования и источника дифференцированного сигнала для точного определения координат агрегата;

данные о параметрах поля должны обрабатываться и храниться с использованием GIS;

необходимо сложное математическое обеспечение для разработки программы оптимального применения удобрений;

электронная карта содержит информацию о непрерывном изменении тех или иных параметров поля в системе позиционирования, в то время как исходная информация, используемая при разработке электронной карты, носит дискретный характер;

электронная карта не всегда объективно отражает состояние поля в момент выполнения технологической операции, так как исходная информация была получена заблаговременно. За этот промежуток времени могли произойти те или другие изменения в состоянии почвы или посевов.

 

Что представляет собой система позиционирования?

Одной из основных составляющих технологии дифференцированного применения удобрений является система позиционирования, а основным элементом ее служит приемник сигналов GPS. Система позиционирования, позволяет с определенной точностью определять координаты при взятии проб во время почвенной диагностики поля, определять координаты агрегата при дифференцированном внесении удобрений и химических средств защиты растений, является неотъемлемой частью технологии дифференцированного применения средств химизации.

В настоящее время наиболее перспективными являются Глобальная Система Позиционирования (GPS), применяемая главным образом в США, Канаде и Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС), применяемая в России.

Применение GPS позволяет товаропроизводителям точно, автоматизировано в реальном масштабе времени определять координаты при отборе проб, вносить удобрения на отдельные участки поля, составлять карты урожайности, определять границы поля, точное местоположение сорняков, вредителей растений, рельеф местности.

 

Какие системы позиционирования существуют?

Существуют две глобальные системы позиционирования - Global Positioning Systems - GPS. Первой в Советском Союзе начала создаваться ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система. Затем стала создаваться американская NAVSTAR - Navigation System with Timing and Ranging - навигационная система, основанная на измерении времени и дальности. Американская система работает в операционном режиме, то есть она в полной мере технически и коммерчески реализована. Геодезист или навигатор, желающий стать пользователем этой системы, может приобрести аппаратуру и программное обеспечение (soft). Приемники и программное обеспечение ГЛОНАСС пока не столь доступны. Здесь рассмотрим GPS NAVSTAR как систему более доступную пользователю. Для краткости будем далее называть ее, как это делают все, просто GPS (таблица 1).

Таблица 1. Характеристики систем позиционирования GPS- NAVSTAR и ГЛОНАСС

 

GPS-NAVSTAR

ГЛОНАСС

Название

Навигационная система для определения времени и расстояния

Глобальная навигационная спутниковая система

Владелец

Министерство обороны США

Министерство обороны России

Количество спутников

24

24

Количество орбит

6

3

Высота (км)

20,183

19,100

Система координат

WGS84

SGS85

Приблизительная точность для гражданских целей

100*

35

 

Термин позиционирование означает не только определение местоположения, то есть координат объекта. Вместе с координатами определяют вектор его скорости. Проще говоря, определяют направление и скорость движения объекта. Координаты и составляющие скорости задают вектор состояния объекта. Таким объектом может быть судно, корабль, самолет, вертолет, спутник, автомобиль, пеший оператор либо другой подвижный носитель. Перед разработчиками системы ставилась определенная задача. Система должна обеспечивать определение вектора состояния пользователя в любое время, в любой точке земной поверхности и с точностью, необходимой пользователю. Опыт показывает, что эта задача решена. Система находится в ведении Офиса Объединенной Программы - Joint Program Offise (JPO). Подразделение находится на базе военно-воздушных сил США - Air Force Base (AFB) - в Лос-Анджелесе.

Спутниковая система дороже системы наземного базирования. Спутники необходимо создавать, запускать, отслеживать, оберегать и по мере выработки ресурса - ликвидировать. На затраты идут потому, что спутниковая система совмещает глобальность с высокой точностью позиционирования. Действительно, существуют глобальные наземные системы, но они, являясь длинноволновыми или сверхдлинноволновыми, определяют местоположение судна в открытом океане с ошибкой около мили. Существуют ультракоротковолновые высокоточные системы наземного базирования, но они определяют координаты объекта лишь в пределах прямой видимости, то есть на расстоянии в 10-20 километров. Спутниковая система является высокоточной, поскольку работает в диапазоне сверхвысоких частот. Одновременно она является глобальной, потому, что в любой точке земной поверхности над горизонтом всегда находятся несколько спутников системы.

 

Каков принцип действия систем позиционирования?

GPS состоит из трех сегментов (segments): из космического (space), то есть спутникового сегмента, из сегмента управления и контроля и из сегмента пользователя. Здесь и далее использован термин "сегмент”, хотя можно использовать и другой термин, например, "подсистема”. Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в данную эпоху спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя - это совокупность спутниковых приемников, находящихся в распоряжении пользователей. Пользователя системы в первую очередь интересует его собственный сегмент, то есть имеющиеся у него приемники, а также спутниковый сегмент, в значительной мере обеспечивающий достоверность результатов. Вместе с тем действия сегмента управления и контроля иногда оказывают критическое влияние на полученные пользователем результаты. Пользователь не может контролировать систему и воздействовать на нее, но он обязан выявлять сбои в ее работе и на этапе обработки отсекать соответствующие результаты.


Какова точность систем позиционирования?

Точность зависит от влияния следующих факторов:

а) от аппаратурных ошибок;

б) от ошибок в учете влияния внешней среды: задержки в различных слоях атмосферы, отражения радиоволн от подстилающей поверхности и окружающих объектов;

в) от ошибок в эфемеридах (координатах) спутников;

г) от геометрии наблюдений;

д) от точности моделей, используемых при обработке результатов: математических, физических, геофизических.

На ранних стадиях разработки системы позиционирования характеризовались низкой надежностью для динамического позиционирования объектов в пределах поля. Разрешающая способность позиционирования мобильных агрегатов составляла 5 м и была явно недостаточной. Ошибка распределения Гаусса превышала 10 м. Малое количество спутников усугубляло эту проблему, при этом на точность позиционирования оказывали влияние деревья и здания. Существенно уменьшали точность позиционирования многократные отражения сигналов от самих объектов позиционирования. В 2000 г. GPS значительно повысила свою точность, а стоимость приёмников существенно снизилась. В настоящее время 12-канальный приемник GPS можно приобрести менее чем за 100$ США. Приемники GPS получают сигналы от 8 до 12 спутников, находящихся над горизонтом (таблица 2).


Требования к точности систем позиционирования

Требуемая точность

Задача

Пример

±10 м

навигация

определение координат полей

±1 м

выполнение операций

информация

мониторинг урожайности

внесение удобрений

автоматический сбор информации

±10 см

управление агрегатами

контроль перекрытия смежных проходов при внесении удобрений и комбайновой уборке с.-х. культур

±1 см

контроль за выполнение точных операций

механический способ борьбы с сорняками

 

Г. И. Личман, д. т. н., зав. лаб., Всероссийский институт механизации

А.И. Беленков д. с. - х. н, профессор, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Теги:
Статья опубликована 21-07-2015, 13:54, её прочитали 1714 раз(а) и оставили 0 комментариев.
Комментарии к статье

Информация
Комментировать статьи на нашем сайте возможно только в течении 30 дней со дня публикации.