Информационное агентство "Светич". Сайт о сельском хозяйстве. 16+

Средства автоматизации и информационного обеспечения технологии точного земледелия

Средства автоматизации и информационного обеспечения технологии точного земледелия
Главная задача возделывания с.-х. культур в системе точного земледелия - это воздействие на поле как на систему, состоящую из отдельных участков с различными агрохимическими, физическими и другими характеристиками. Это различие характеристик может наблюдаться как между отдельными типами почв, так и в рамках одного типа почв. Для реализации технологии точного земледелия необходимо оценивать варьирование агротехнических показателей в принятой системе позиционирования. Знания изменчивости параметров  плодородия позволяет выполнять операции воздействия на них в нужном месте и в необходимом количестве. Такая технология способствует  увеличению урожайности сельскохозяйственной продукции, снижению загрязнения окружающей среды за счет более рационального использования удобрений и химических средств защиты растений.
 
Для успешного введения в сельскохозяйственный оборот точного земледелия требуется  системный  инженерный  подход. Необходимы технические средства, позволяющие использовать технологии позиционирования, геоинформационные системы, компьютерное моделирование и автоматическое управление машинами, выполняющими с.-х. операции. Получение инженерных и научных знаний необходимых  для осуществления идей точного земледелия является серьезным вызовом для сельскохозяйственных исследователей. Инженерные задачи, которые необходимо решать при введении в сельскохозяйственный оборот технологии дифференцированного воздействия на систему "почва+растение", могут быть сгруппированы в пять групп:
 
- разработка технических средств получения пространственно-временных данных о поле;    
 
- обработка данных;    
 
- моделирование химических, биологических и гидрологических процессов, протекающих в почве;    
 
- разработка систем  позиционирования;   
 
- разработка систем контроля и управления полевыми машинами.
 
Концепция точного  земледелия основывается на предположении, что имеются данные о внутрипольной пестроте параметров плодородия. Требования к параметрам - они должны варьировать и быть измеряемыми. Если изменчивость свойств почвы представляет интерес для почвоведов, то измерение этой изменчивости - дело инженеров.
 
Определение изменчивости почвенного плодородия является одним самых важных элементов  новой технологии. Без наличия точных картограмм распределения питательных элементов в почве, состояния посевов, урожайности сельскохозяйственных культур невозможно дифференцированное воздействие на систему "почва+растение". 
 
Измерение параметров почвы, которые влияют на рост и развитие растения являются главной задачей точного земледелия. Эффективность точного земледелия будет во многом зависеть от того, как быстро и точно мы сможем измерять эти показатели. Частота измерений (пространственная и временная)  будет зависеть от того какова изменчивость измеряемого показателя (изменчивость этого параметра по полю и во времени).
 
Такие показатели как содержание нитратов, влажность могут меняться быстро как по полю,  так и во времени и должны измеряться в реальном масштабе времени. Другие параметры, такие как содержание органического вещества, толщина пахотного слоя будут несущественно меняться во времени и их можно замерять один раз в год или реже. Что касается количества замеров, то оно зависит от вариабельности измеряемого параметра. Для определения вариабельности того или иного показателя, нужно проводить замеры с малым шагом квантования, что очень дорогостояще. Поэтому нужны автоматизированные системы  для отбора и анализа проб. Для получения информации о том или ином показателе используются различные методы.
 
В результате выполненного анализа разработана структурная схема наиболее распространенных способов  получения данных о состоянии поля.
 
Традиционные методы отбора почвенных проб для получения необходимой информации о поле и состоянии посевов на элементарных участках поля и анализа довольно трудоемки и дорогие. Необходимы датчики, позволяющие получать нужную информацию о почве и состоянии растений 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 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 (расход удобрений; обнаружения сорняков).
 
Для этих целей учеными ВИМ разработан мобильный диагностический агрегат МДА-СШ 30 для сбора информации о параметрах плодородия поля и состояния растений в период их вегетации.
 
Диагностический агрегат на базе самоходного шасси  ВМТЗ - СШ 30 оснащен приемником сигналов GPS, имеет адаптеры для выявления относительно однородных участков поля посредством оценки электропроводности почвы, пространственной вариабельности вегетативной массы растений, отбора почвенных проб  и оценки содержания хлорофилла в листьях растения с использованием N- тестера.
 
Агрегат позволяет:
 
- с использованием приемника сигналов GPS получать информацию для построения карт рельефа поля;
 
Использование диагностического агрегата обеспечивает:
 
- получение необходимой оперативной информации для построения электронных карт с выделенными ареалами относительно однородных по продуктивности;
 
- сокращение  затрат труда в 8-10 раз при получении информации для оптимального применения средств химизации;
 
- повысить окупаемость средств химизации в 1,5-1,7 раз;
 
- снизить химическую нагрузку на окружающую среду;
 
- повысить качество получаемой продукции.
 
Мобильное диагностическое средство позволяет получать в глобальной системе координат  комплексные данные о содержании в почве основных элементов питания  N, P, K, кислотности  pH , гумуса, влажности почвы,  о глубине пахотного слоя, сопротивлении почвы в процессе ее обработки. 
 
Оценку состояния растений в реальном масштабе времени предусмотрено определять по содержанию хлорофилла в растениях и вариабельности вегетативной массы при возделывании зерновых и пропашных культур.
 
Разрабатываемое техническое средство обладает высокой проходимостью и маневренностью, что позволяет получать комплексные данные о почве и растении весной при первой подкормке зерновых, в период вегетации зерновых и пропашных культур, а также подготовке почвы под посев.
 
Использование мобильного диагностического агрегата позволит повысить производительность труда при получении информации о параметрах плодородия поля и состоянии растений в 8-10 раз. Полученные знания на основе этой информации  позволят  рационально использовать удобрения, повысить их окупаемость в 1,5 раза, снизить загрязнение окружающей среды.
 
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. Они в основном направлены на решение частных вопросов. Задача ученых на основе системного подхода разработать программное обеспечение (ПО) дифференцированного внесения удобрений (Таблица 1).
 
Таблица 1
Структура программного обеспечения принятия оптимальных управленческих решений  при дифференцированном применении удобрений
 

№ ПО

Назначение и краткая характеристика

ПО 1.

Хранение и обработка информации  о системе "почва+растение+поле".

1.      Общая характеристика поля (Название, размеры, история и т.д);

2.      Размеры элементарных участков, система позиционирования;

3.      Данные о содержании NPK, рН, гумуса, органического вещества, типе почв, рельефе, толщине пахотного слоя, уровне  грунтовых вод, системе дренажа;

4.      История внесения органических и минеральных удобрений;

5.      Урожайность предшествующих с.-х.

ПО -2

Анализ и интерпретация исходной информации о системе "почва+растение+поле", визуализация ее в виде электронных карт с использованием ГИС

ПО -3

Обработка исходной информации о содержании питательных элементов в почве и урожайности предшествующих культур с целью получения функций отзывчивости

ПО -4

Выработка оптимальных управленческих решений по ДВУ с учетом сформулированной стратегии

1.      Выбор и обоснование стратегии, функции цели и ограничений;

2.              Расчет оптимальных доз ДВУ  под программируемую урожайность с учетом пестроты параметров плодородия, рельефа местности, толщины пахотного слоя  и др.;

3.      Разбивка поля на элементарные участки (зоны воздействия), обоснование маршрута движения агрегата для ДВУ по полю

ПО -5

Формирование электронной карты ДВУ

1.      Обоснование длины переходных участков с одной дозы на другую;

2.      Сглаживание доз внесения удобрений.

ПО -6

Управление  работой машины-удобрителя в соответствии с электронной картой с использованием информации о:

-          скорости движения агрегата;

-          виде удобрений и их физико-механических свойствах;

-          режимах работы дозирующих и распределяющих рабочих органов;

-          местоположении агрегата.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Реализация технологии  дифференцированного воздействия на систему "почва+растение", как сложной системы, предусматривает разработку программного обеспечения, включающего подпрограммы: формирования банка данных о пространственной и временной пестроте параметров плодородия и состоянии посевов; установления  функциональных зависимостей (функций отзывчивости) между наличием питательных элементов в почве 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.
 
При разработке  программного обеспечения (ПО)  были, прежде всего, обоснованы факторы, которые влияют на урожайность,  создан 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 множество данных  было сведено 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. 
 
Выбор и обоснование функциональных зависимостей (функций отзывчивости) между наличием питательных элементов в почве (NPK), кислотностью (рН), типом почвы  и урожайностью с.-х культур является одним из самых важных и сложных элементов при разработке технологии дифференцированного применения удобрений.. В настоящее время нет единого подхода к решению этой задачи. Наиболее широко используются производственные функции, полученные в результате обработки экспери-ментальных данных. Эти функции, как правило, представляют уравнения регрессии и справедливы лишь для условий, при которых они были получены. При разработке ПО нами использована квадратичная функция отзывчивости, как более полно характеризующая систему "почва+растение".
 
При разработке программного обеспечения расчета оптимальных доз при дифференцированном внесении удобрений особое внимание было уделено выбору целевой функции, обоснованию допущений и ограничений, на основе которых принимаются оптимальные управленческие решение.
 
Особенность принятия управленческих решений при дифференциро-ванном внесении удобрений предопределяется тем, что, не смотря на обилие исходной информации, решения принимаются в условиях неопределенности. При этом  чаще всего используются статистические методы оценки. Неопределенность (более реалистическое предположение) означает возможность наступления нескольких исходов с разной степенью вероятности. В условиях неопределенности полезно рассчитывать следующие показатели:•ожидаемое значение;•среднее квадратичное отклонение; коэффициент вариации. Разрабатываемое ПО информационных технологий для внесения удобрений и других средств химизации представлено в  виде, полностью удовлетворяющем требованиям массовых пользователей. Потенциальными пользователями высоких технологий в этой области могут быть сельские то-варопроизводители с территориально распределенным характером деятельности
 
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)
Журнал "Нивы Зауралья" №4(115), май 2014
Фото: Depositphotos.com
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

Яндекс Директ