Разработки Агрофизического научно-исследовательского института (АФИ)

В Агрофизическом научно-исследовательском институте (ГНУ АФИ Россельхозакадемии) созданы и апробированы технологии информационного обеспечения точного земледелия. Некоторые из них будут рассмотрены ниже /78/.

Мобильный автоматизированный комплекс для полевого обследования сельскохозяйственных территорий

Получение информации о вариабельности внутри поля почвенного покрова, состояния растений и их продуктивности, степени поражения вредителями, болезнями и сорняками требует наличия мобильных контактных и дистанционных методов диагностирования, снабженных методическими указаниями по их эксплуатации. Развитие информационных технологий привело к новым эффективным методам хранения и отображения собираемых данных в виде электронных карт. Электронные карты, отображающие пространственное распределение тех или иных параметров сельскохозяйственного поля, являются фундаментальными элементами точного земледелия.

Для этих целей в Агрофизическом НИИ был создан мобильный автоматизированный комплекс, позволяющий проводить полевое обследование почв на современном уровне с использованием последних достижений в области информационных технологий.

Комплекс включает в себя следующие функциональные компоненты:

· движитель;

· автоматический почвенный пробоотборник;

· спутниковая система позиционирования (GPS);

· бортовой компьютер;

· программное обеспечение.

В качестве движителя выбран автомобиль «Нива» как наиболее подходящий по критериям мобильности, а именно по возможности перемещаться на расстояния большие, чем угодья одного хозяйства, а также по грузоподъемности, стоимости и проходимости. При этом, если автомобиль будет оборудован так называемыми шинами «низкого давления», то проходимость его увеличивается в несколько раз.

Автоматический почвенный пробоотборник представляет собой агрегат, смонтированный в качестве навесного оборудования на задней части рамы автомобиля «Нива». Он оснащен двумя почвенными бурами, гидравлической системой и электромотором, работающим от стандартной аккумуляторной батареи автомобиля «Нива». Почвенные пробы берутся на глубину до 25 см. Управление пробоотборником производится с пульта, установленного в кабине автомобиля. Почва собирается в специальный контейнер на пробоотборнике и по окончании отбора объединенной пробы, то есть пробы с одного элементарного участка поля, пересыпается в отдельную маркированную тару.

Спутниковые системы позиционирования на местности давно уже используются в военной области. Возможность использования таких систем в мирных целях появилась относительно недавно. В мире существуют две спутниковых системы позиционирования: американская GPS и российская ГЛОНАСС. Американская система Global Position System (GPS) или точнее, ее космический сегмент, представляет собой созвездие из 24 спутников. Система GPS (официальное название – NAVSTAR) разработана по заказу Министерства обороны США и находится под его управлением, однако в 1980-х годах систему открыли для гражданского использования. Система работает при любых погодных условиях по всему миру 24 часа в сутки. С ее помощью можно с высокой степенью точности определять координаты и скорость движения подвижных объектов. Ни абонентская плата, ни плата за подключение системы GPS не взимается. Все, что нужно для пользования системой – это GPS-приемник.

Российская система глобального позиционирования ГЛОНАСС используется еще мало, так как космическая отрасль России находится в непростом положении и пока не способна постоянно обеспечивать ее работоспособное состояние.

Современные многоканальные GPS-приемники обладают достаточно высокой точностью. Так, 12-канальные GPS-приемники GARMIN отслеживают до 12-ти спутников GPS одновременно, обеспечивая быстрое и уверенное определение местоположения, в том числе в городских условиях или под густыми кронами деревьев. На точность определения местоположения влияет расположение видимых спутников, а также ряд атмосферных и других факторов. В среднем, точность GPS-приемников GARMIN составляет 10…15 м и может быть повышена путем приема дифференциальных поправок. Наиболее перспективные источники дифференциальных поправок – это глобальные дифференциальные подсистемы, передающие поправку к сигналам GPS с геостанционарных спутников. За их использование также не предусмотрено никакой платы. К ним относятся американская система WAAS, европейская EGMOS и японская MSAS. Они улучшают точность определения местоположения GPS-приемниками до 1…3 м. Американская система WAAS уже работает, в настоящее время зона покрытия этой системы – вся территория Северной Америки. Ряд новых моделей GPS-приемников может использовать дифференциальную поправку WAAS при вычислении местоположения без какого-либо дополнительного оборудования. Европейский аналог WAAS – система EGNOS – находится в стадии апробации.

В качестве GPS-приемника был выбран AgGPS-132 фирмы Tpimbie ввиду его многофункциональности, к тому же он специально предназначен для установки на транспортных средствах, обеспечивая субметровый уровень точности в дифференциальном режиме.

AgGPS-132 объединяет воедино приемник GPS сигналов, приемник поправок от морских маяков и приемник поправок от спутникового дифференциального сервиса (Omnistar Rakal), при этом используется единая комбинированная антенна. Такая конфигурация значительно повышает точность (до 0,5 м) и надежность определения места, а также упрощает реализацию дифференциального режима.

При использовании этого прибора в зоне действия морских радиомаяков нет необходимости активизировать подписку Omnistar или Racal, что и было ими использовано.

Приемник AgGPS-132 оборудован встроенным жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой, что обеспечивает простоту настройки и интеграцию в существующие программно-аппаратные комплексы. Питание приемника осуществляется от бортовой сети питания в диапазоне от 10 до 32 вольт постоянного тока, кроме того, питание может осуществляться от аккумуляторных батарей. AgGPS-132 может быть легко настроен для работы с широким спектром оборудования, таким как судовые навигационные комплексы, сейсмические станции, оборудование сельскохозяйственных машин, полевые компьютеры и контроллеры-накопители. Встроенный двухканальный цифровой приемник дифференциальных поправок от морских маяков с низким уровнем внутренних шумов позволяет принимать сигналы маяка на удалении в сотни километров.

Определение местоположения осуществляется с использованием надежных методик дифференциальной обработки, что позволяет приступить к работе через несколько секунд после включения комплекса.

В качестве бортового компьютерапри апробации мобильного комплекса ими использовался компьютер Fujitsu PenCentra 200 планшетного типа. Компьютер соединен с GPS-приемником кабелем стандарта RS-232 для получения текущих координат и оснащен специальным программным обеспечением.

В настоящее время в Агрофизическом НИИ создан и находится в стадии тестирования бортовой компьютер, обеспечивающий процедуру сбора и накопления геоинформационных данных и позволяющий управлять дифференциацией выполнения агротехнологических приемов с привязкой к глобальной системе позиционирования. В качестве платформы для бортового компьютера был выбран одноплатный промышленный высоконадежный компьютер, функционирующий под управлением операционной системы WindowsCES. Выбор платформы обусловлен отсутствием движущихся частей в электронной начинке, что гарантирует высокую надежность и устойчивость к внешним воздействиям.

Для осуществления программно-математического обеспечения работ было приобретено и апробировано программное обеспечение (ПО) SST FieldRover Group, Inc. ПО в связке с GPS является ядром всего комплекса и во многом определяет преимущества нового подхода перед традиционными методами обследования полей, проявляющиеся при использовании мобильного автоматизированного комплекса.

В частности, программное обеспечение бортового компьютера позволяет создавать сразу же на поле электронный контур обследуемого участка, определение точек отбора проб, обеспечивает и навигацию по этим точкам. Предусмотрено также подключение внешних датчиков для непрерывного (сплошного) обследования экспериментальных участков.

Основные стандартные функции ПО:

· создание электронных карт обследуемых полей с использованием объектов «линия», «точка» и «полигон»;

· возможность ведения базы данных с привязкой атрибутов к идентификаторам топографических объектов;

· поддержка функции увеличения/уменьшения карты;

· работа в метрической системе измерения;

· возможность работы с GPS-приемниками, поддерживающими стандарт NMEA0183 через СОМ-порт;

· отображение текущих географических координат;

· возможность навигации в заданную точку;

· возможность отображения длины, расстояний, площади геообъектов;

· работа с несколькими слоями отображения информации;

· поддержка импорта/экспорта данных в формате ESRI^®Shapefile и MIF MID;

· работа с растровыми слоями JPG, Img, Geo TIFF;

· наложение на полигон сетки, которая может иметь произвольные размер и ориентацию; при этом каждой ячейке присваивается уникальный идентификатор; ячейка сетки может быть квадратной или прямоугольной, а размер может задаваться как по площади, так и по длине стороны ячейки;

· режим редактирования сетки: ее можно вращать, перемещать, а при выходе из режима редактирования сетка должна быть преобразована в слой точек и слой полигонов;

· отображение текстовых атрибутов полигонов, линий, точек;

· возможность задания неограниченного количества атрибутов для геообъектов;

· возможность создания и отображения легенды для геообъектов на основании атрибутов этих объектов.

Созданный мобильный комплекс позволил в автоматизированном режиме с геоинформационным и навигационным обеспечением в полном объеме осуществлять дискретное полевое обследование полей с заданным шагом (размер элементарного участка). Данные, полученные с помощью этого комплекса, использовались при расчете доз удобрений для реализации соответствующих агроприемов по технологии ТЗ, а также в ходе сравнительного эксперимента с данными, полученными центром агрохимического обслуживания «Ленинградский».

В процессе апробации мобильного комплекса были также отработаны методические вопросы обследования сельскохозяйственных полей и выявлены недостатки и неудобства эксплуатации зарубежного программного обеспечения. Поэтому параллельно с эксплуатацией комплекса был разработан программный модуль сбора и обработки пространственно-ориентированных данных.