Информационное агентство "Светич". Сайт о сельском хозяйстве. 16+
Росспецмаш
Доска Почета АПК агроснабжение
Российский агротехнический форум-2017

Фундаментальные и прикладные исследования по точному земледелию: основные направления

Фундаментальные и прикладные исследования по точному земледелию: основные направления

Сельскохозяйственные товаропроизводители в течение последнего десятилетия пользуются преимуществами новых технологий, включая информационные технологии для принятия решений, повышающих эффективность сельскохозяйственного производства.

Информационные технологии открыли новые возможности для кардинальных изменений в управлении сельскохозяйственным производством. Эта идея хорошо выражена в концепции точного земледелия, которую можно сформулировать следующим образом:

«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».

Реализация концептуальных положений, заключенных в точном земледелии, обеспечит увеличение производства сельскохозяйственной продукции, снижение затрат на единицу продукции и загрязнение окружающей среды.          

Основными составляющими точного земледелия являются:

-             получение информации о состоянии поля и растений в соответствующем масштабе и соответствующей частотой;

-             анализ и интерпретация полученной информации;

-             разработка и реализация принятых на ее основании решений.

Наиболее существенной особенностью точного земледелия является то, что  при принятии решений учитывается пространственная и временная изменчивость параметров, характеризующих состояние системы «почва-растение».

Ключевое отличие технологий дифференцированного воздействия на систему «почва-растение» от традиционных технологий заключается в том, что в рамках новой технологии получают большие массивы информации из многочисленных источников, анализируют ее и на основе анализа принимают решения о формах и уровне воздействия на систему.

Поэтому на первом этапе разработки системы точного земледелия фундаментальные и прикладные исследования ученых должны быть сосредоточены на решении проблемы информационного обеспечения точного земледелия, включающей:

— изучение пространственной и временной вариабельности параметров плодородия, урожайности, состояния растений;

— разработку методов отбора почвенных проб;

— разработку датчиков для измерения урожайности с.-х. культур в глобальной системе позиционирования

— разработку датчиков для измерения параметров плодородия почвы в реальном масштабе времени;

— разработку систем дистанционного зондирования для оценки состояния почвы, посевов и управления технологическими процессами дифференцированного воздействия на систему «почва-растение» с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), оснащенных современными системами технического зрения.

Следующей, не менее важной проблемой является разработка методов анализа, визуализации информации и принятие оптимальных управленческих решений, включающих:

— разработку статистических и геостатистических методов количественной оценки пространственной и временной изменчивости параметров плодородия поля;

— разработку моделей роста и развития с.-х. растений для целей точного земледелия;

— установление связи между пестротой параметров плодородия, природно-климатическими условиями, дозой внесения удобрений и урожайностью сельскохозяйственных культур, моделирование;

— разработку методов принятия оптимальных управленческих решений по дифференцированному воздействию на систему «почва-растение» с целью получения планируемой урожайности с.-х. культур.

Эффективность точного земледелия во многом зависит от того, насколько успешно будут реализованы принятые оптимальные решения.

Для успешной реализации технологии точного земледелия необходима:

— разработка технологии и технических средств дифференцированного воздействия на систему «почва-растение»;

— разработка систем контроля и управления технологическим процессом дифференцированного внесения минеральных удобрений в соответствии с электронной картой в принятой системе позиционирования;

  — оценка эффективности точного земледелия;

  — оценка влияния точного земледелия на окружающую среду;

  — разработка технологического регламента дифференцированного внесения удобрений;

— разработка интегрированных подходов к внедрению координатного земледелия в сельскохозяйственное производство.

Для успешного введения в сельскохозяйственный оборот технологий точного земледелия фундаментальные и прикладные исследования необходимо проводить в первую очередь по следующим направлениям.

Поиск новых, более дешевых методов получения объективной информации о пестроте параметров плодородия поля и использование ее при определении доз внесения удобрений под планируемую урожайность. Для успешного применения точного земледелия необходимо знать содержание элементов питания на каждом элементарном участке поля, тип почвы, а также состояние посевов.

Традиционные методы отбора проб и их анализа довольно трудоемки, требуют много времени и дороги для получения необходимой информации о поле и состоянии посевов на элементарных участках поля. Наметилась тенденция перехода от систематического, сеточного отбора проб к разбивке поля на однородные по содержанию элементов питания участки (контуры).

Такие работы ведутся в Австралии (Центр точного земледелия при Сиднейском университете), в США. Для выделения контуров (Management Zones) необходимо использовать данные наземной диагностики, такие как электропроводность почвы, дистанционного зондирования, а также  данные о рельефе местности.  В ряде случае бывает достаточно этой информации для довольно точного выделения контуров.

Ведутся исследования по разработке алгоритмов и математического обеспечения, необходимого для автоматизированного выделения контуров. Для этих целей широко используются геостатистика, кластерный анализ и др. Такой подход позволяет значительно сократить затраты на получение информации, упростить технологию дифференцированного внесения удобрений.

При внесении удобрений на поле, разбитом на несколько контуров, однородных по содержанию элементов питания NPK, pH, гумуса, можно вносить удобрения обычными машинами, изменяя дозу вручную на каждом из выделенных контуров. Необходимо расширить исследования по разработке экспресс методов оценки параметров плодородия NPK, гумуса.

В частности, следует продолжить фундаментальные и прикладные исследования по электрофизическим методам оценки параметров плодородия пахотного слоя. Многие параметры плодородия, такие как кислотность, содержание азота, органическое вещество почвы, хорошо коррелируют с электропроводностью почвы. Необходимо развивать геостатистические методы (кригинг,  кокригинг и др.), позволяющие на основании данных об электропроводности почвы получать достоверную информацию об этих показателях.

Применение этих методов позволит существенно снизить затраты на получение информации, необходимой для принятия оптимальных управленческих решений при возделывании сельскохозяйственных культур.

Начали появляться работы по оценке параметров почвы, влияющих на ее плодородие, таких как тип почвы, плотность во время пахоты. Почвообрабатывающие агрегаты оснащаются соответствующими датчиками, позволяющими фиксировать перечисленные выше параметры в принятой системе позиционирования с использованием DGPS. Исследования в этом направлении следует продолжить.

Одним и приоритетных направлений является разработка датчиков, позволяющих получать информацию в реальном масштабе времени при движении агрегата по полю. Особенно такие датчики необходимы для измерения параметров, которые быстро меняются во времени, такие, например, как  содержание азота в почве, влажность почвы.

В настоящее время разрабатываются датчики и частично используются для:

оценки свойств почвы (структура почвы, и ее физические свойства; содержание элементов питания); 

оценки состояния посевов (густота посевов; подверженность растений стрессам; обеспеченность растений элементами питания);

мониторинга урожайности (ширина захвата уборочного агрегата; влажность зерна);

контроля дифференцированного внесения удобрений и средств защиты (расход удобрений; обнаружения сорняков).

Необходимо расширить исследования по разработке методики мониторинга посевов с целью определения потребности растений в питательных элементах, особенно азоте, влаге, наличия сорняков и вредителей растений с изложением требований к интенсивности и качеству обследования в зависимости от культуры, хозяйства, региона.

Для повышения эффективности мониторинга необходимо проводить почвенную и листовую диагностику, используя современные методы получения информации, требуемой для построения карт состояния почвы и посевов. Большинство существующих машин предназначено для поверхностного разбросного внесения удобрений. При их модернизации они могут быть использованы для дифференцированного внесения удобрений.

С целью повышения эффективности удобрений за счет более качественного их внесения необходимо разрабатывать машины для локального внутрипочвенного дифференцированного внесения как минеральных, так и органических удобрений, стандартов на машины, системы контроля и управления технологическим процессом, математическое обеспечение.

До настоящего времени отсутствуют надежные методы калибровки машин для дифференцированного внесения средств химизации с учетом времени запаздывания  внесения удобрений по сравнению с моментом поступления сигнала  с бортового компьютера на исполнительные рабочие органы. Такое запаздывание приводит к тому, что происходит смещение дозы внесения на соответствующие участки поля по сравнению с электронной картой.

Особый интерес представляют исследования по оценке экономической эффективности точного земледелия и, в частности, дифференцированного применения удобрений и других средств химизации.

По этому направлению исследований ведутся горячие дискуссии. Ищутся пути снижения затрат на выполнение операций по дифференцированному воздействию на систему «почва-растение».

Основные затраты при дифференцированном внесении удобрений связаны с отбором проб, приобретением дополнительного оборудования: РС, GPS, GIS, переоборудованием машин новыми исполнительными органами. Поэтому исследования ведутся в направлении разработки более дешевых методов получения информации, расширения сферы применения систем позиционирования, привлечения дилеров для выполнения некоторых операций.

Необходимо продолжить исследования по разработке экономико-математической модели технологического процесса дифференцированного применения удобрений для анализа его эффективности. В этой модели можно было бы менять функции отзывчивости, затраты на дифференцированное внесение удобрений, получение информации, учитывать затраты, связанные с загрязнением окружающей среды.

Необходимо провести исследования модели на чувствительность к типу функций отзывчивости, к изменению цены на получаемую продукцию, к уровню внутрипольной вариабельности параметров плодородия, к точности получаемой информации и качеству выполнения технологического процесса дифференцированного внесения удобрений.

Усилия ученых должных быть сосредоточены на разработке алгоритмов, программных комплексов для расчета оптимальных доз удобрений под планируемую урожайность.

Использование существующих рекомендаций по применению удобрений не позволяют оптимизировать дозы при дифференцированном их внесении. Рекомендации по дифференцированному применению удобрений с учетом пестроты параметров плодородия, рельефа местности и возделываемой культуры отсутствуют.

Первоочередной задачей в устранении этих недостатков является разработка новых методов составления почвенных карт, базирующихся на использовании современных технологий, таких как GIS, GPS, дистанционное зондирование, моделирование рельефа поля с целью создания карт масштабом 1:5000.

Исследования по точному земледелию показали, что данные о рельефе местности имеют большое значение, особенно при определении зон воздействия. Существует сильная корреляционная зависимость между рельефом местности, дозами внесения удобрений, распределением сорняков и урожайностью.

Топографические карты необходимого масштаба отсутствуют. При разработке этих карт должны быть использованы современное топографическое оборудование, высокоточные системы позиционирования DGPS и системы дистанционного зондирования.

В настоящее время учеными развитых стран (США, Япония, Франция) все больше и больше внимания уделяется разработке систем вождения мобильных агрегатов с использованием спутниковых навигационных систем (DGPS). В настоящее время фермер затрачивает до 80% времени на вождение мобильных агрегатов (трактора, комбайна, опрыскивателя и т.д.).

Только 20% времени остается для оценки качества выполняемой им работы. С целью облегчения труда фермера разрабатываются системы вождения трактора с использованием DGPS. Системы позволяют вести трактор по заранее намеченному пути.

Использование такого трактора на выполнении сельскохозяйственных операций, по мнению разработчиков, позволит:

— облегчить работу фермера, так как вождение трактора в течение многих часов довольно монотонная и утомительная работа;

— больше времени уделять настройке, калибровке техники, контролю качества выполнения операций; 

— повысить точность выполнения операций посредством исключения ошибок при перекрытии смежных проходов;   

— повысить скорость выполнения технологических операций.

Для реализации технологии дифференцированного воздействия на систему «почва – растение» как сложной системы необходима разработка программного обеспечения, включающего подпрограммы: формирования банка данных о пространственной и временной вариабельности параметров плодородия и состоянии посевов; установления функциональных зависимостей (функций отзывчивости) между наличием питательных элементов в почве, их вариабельностью и урожайностью сельскохозяйственных культур; обоснования оптимальных доз дифференцированного внесения удобрений, с учетом выбранных функции цели, допущений и ограничений; формирования электронных карт дифференцированного внесения удобрений в принятой системе позиционирования; контроля и управления технологическим процессом  ДВУ.

Эффективно распорядиться большим объемом собранных данных о почве, растениях и других факторах возможно только в том случае, если имеется некая концепция и методология, оптимально объединяющая все их разнообразие.

При решении задач, связанных с разработкой программного обеспечения дифференцированного применения удобрений, возникает ситуация, когда между различными потоками информации нет внутренней связи, отсутствует единая концепция системы обработки данных.

При разработке программного обеспечения (ПО), прежде всего, необходимо обосновать факторы, которые влияют на урожайность, и создать банк данных. Управляемость системой «почва – растение» тем выше, чем большее количество факторов учитывается. Все параметры должны быть жестко привязаны к выбранной системе координат.

Для того чтобы отобразить все параметры почвы, растений, окружающей среды, влияющих на конечный результат (урожайность, качество урожая и др.), понадобилась бы бесконечно большая база данных. Поэтому, используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, поддающемуся анализу и управлению и адекватно отражающему состояние системы «почва – растение – окружающая среда».

Это достигается применением моделей, сохраняющих основные характеристики объекта исследования и не содержащих второстепенных свойств.

В настоящее время еще не разработаны научные основы для создания компьютерных программ дифференцированного применения удобрений, отсутствуют методики сбора и обработки первичной информации, необходимой для создания банка данных о пестроте параметров плодородия поля.

Существующие экспертные системы, как правило, относятся к традиционным системам ведения сельскохозяйственного производства или анализу природных ресурсов. Они в основном направлены на решение частных вопросов.

Поэтому перед учеными стоит задача на основе системного подхода разработать программный комплекс дифференцированного внесения удобрений, интегрирующий технологии, технические средства, существующие программы и системы принятия решений в единую систему принятия оптимальных управленческих решений.

Он должен быть надежным, удобным в использовании, объединять экспертные оценочные и статистические модели.

Для быстрейшего введения в сельскохозяйственный оборот системы точного земледелия следует внести соответствующие изменения в программах с.-х. учебных заведений, организовать проведение семинаров по обучению агрономов, консультантов элементам точного земледелия.

К сказанному следует добавить, что многие озвученные здесь вопросы внедрения технологии точного земледелия достаточно успешно решаются в рамках функционирования Центра точного земледелия РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в течение последних восьми лет.

В первую очередь полностью решена задача и убедительно доказано преимущество посева (посадки) с.-х. культур, а также проведения гребнеобразования на картофеле с применением навигационного оборудования, в частности, автопилота.

Хорошо отработан прием внесения минеральных удобрений в ходе подкормки озимой пшеницы и других культур с использованием для оценки состояния посевов соответствующих приборов, в частности Green Seeker и N-sensor. Решена проблема определения азотного статуса вегетирующих растений и дана сравнительная оценка применяемых методов.

Отработан вопрос борьбы с сорняками путем дифференцированной обработки посевов зерновых культур в режиме off- и on-line. Проведены важнейшие наблюдения за агрохимическими и агрофизическими свойствами почвы опытного участка с составлением электронных карт.

Определены некоторые микробиологические показатели плодородия и установлена их связь с другими параметрами. Сделаны выводы об эффективности различных приемов основной обработки почвы под культуры зернопропашного севооборота.

В течение всего календарного года проводятся наблюдения за микроклиматом приземного слоя воздуха в посевах с.-х. культур. Ежегодно проводится мелкомасштабная уборка культур с определением реальной урожайности по отдельным участкам поля, характеризующая пестроту почвенного плодородия и влияние сопутствующих факторов. Составляются карты урожайности по полям.

Более подробная информация о результатах полевого опыта ЦТЗ за восьмилетний период  будет представлена в последующих материалах рубрики.

Г.И. Личман., д. т. н., И.Г. Смирнов

ВИМ — Ведущий научный центр России в области технико-технологического обеспечения сельскохозяйственного производств;

А.А. Личман, к. э. н., Всероссийский институт аграрных

проблем и информатики им. А.А. Никонова);

А.И. Беленков, д. с.-х. н., Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева

Нивы России №8 (141) сентябрь, №9 (142) октябрь 2016

Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Яндекс Директ