ТЕХНОЛОГИИ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ, ИХ

ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЛЯХ

Точное земледелие – совокупность технологий, технических средств и систем принятия решений, направленных на управление параметрами плодородия, влияющими на рост растений. Среди этих параметров могут быть: содержание органического вещества, питательные элементы почвы, рельеф, наличие влаги в почве, засоренность сорняками. Для реализации технологий точного земледелия необходимы: современная сельскохозяйственная техника, способная дифференцированно проводить агротехнические мероприятия, приборы точного позиционирования на местности и новые информационные технологии. К техническим средствам, применяемым в системе точного земледелия, относятся: GPS-приемники; российская спутниковая система ГЛОНАСС; технические системы, помогающие выявить неоднородность поля; автоматические пробоотборники; различные сенсоры и измерительные комплексы; уборочные машины с автоматическим учетом урожая; приборы дистанционного зондирования сельскохозяйственных посевов и др. Основным элементом технологии точного земледелия является программное обеспечение, которое даст возможность получения пространственно-ориентированных данных сельскохозяйственных полей, а также генерацию, оптимизацию и реализацию агротехнических мероприятий с учетом вариабельности характеристик в пределах возделываемого поля.

Такой новый (управленческий) подход на мелиорированных землях позволит произвести: учет пространственной динамики характеристик полей (рельеф, почвы, сельскохозяйственные культуры, агротехника и т.д.); учет пространственной динамики агроландшафтов (площади, их соотношения, лесополосы, их характеристики и т.д.); учет мелиоративного воздействия по времени, величине, продолжительности.

В последние годы в развитых зарубежных странах имеется значительный опыт по внедрению новой технологии в жизнь и выявлен эффект, который она даст для сельского хозяйства (повышение урожаев, экономия агрохимикатов).

Работы по разработке и внедрению системы точного земледелия, основанные на использовании новых информационных технологий, телекоммуникационных и навигационных систем, ведутся также в России (Якушев В.П., Глобус А.М., Полуэктов Р.А., Личман Г.И. и др.).

В связи с этим актуальным является систематизация известных методов, технических средств и технологий, применяемых для систем точного земледелия.

В данном обзоре (на основе анализа источников информации) рассмотрены основные элементы точного земледелия (ГСП, ГИС); приборное и программно-аппаратное обеспечение информацией систем точного земледелия; перспективы развития и внедрения в сельское хозяйство точного земледелия.

ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ – НОВЫЙ ЭТАП В РАЗВИТИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

 Что такое точное земледелие

Одним из самых современных направлений в земледелии является так называемое точное земледелие, которое является интегрированным процессом управления ростом растений в соответствии с их потребностями. Точное земледелие еще называют топоориентированным земледелием, земледелием по предписанию, точным сельским хозяйством, аккуратным сельским хозяйством /15,64,66,68/. Такая технология стала возможной благодаря развитию информатики, систем связи и прогрессу в области автоматизации сельскохозяйственной техники. Наряду с солидным программным обеспечением проекта, позволяющим принятие решений по применению технологий в оперативном режиме и на перспективу, точное земледелие нуждается в мощном техническом оснащении. Машины, применяемые для точного земледелия, оснащены компьютерами, приемниками глобальных систем позиционирования (ГСП), бортовыми датчиками, автоматическими устройствами по учету урожая. Интегрирующей основой технологии являются геоинформационные системы (ГИС), позволяющие снимать, накапливать и обрабатывать информацию, характеризующую посев или пашню.

Термин «точное земледелие» (precision agricuture, precision farming, computer aided farming) появился в 90-е годы ХХ столетия как естественное развитие понятия устойчивого земледелия (sustainable agriculture). Принципиальное отличие новой концепции состоит в том, что технология точного земледелия (ТЗ) позволяет осуществлять управляющее воздействие в разных частях сельскохозяйственного поля, т.е. вносить разные нормы минеральных и органических удобрений, а также проводить дифференцированную обработку участка средствами защиты растений. Кроме того, новые технологии позволяют проводить и локальные операции по улучшению почвы (мелиоративные и агротехнические мероприятия).

Кроме того, появление ТЗ связано, прежде всего, с совершенствованием всех видов сельскохозяйственной техники и технологий, а также с бурным развитием вычислительной техники, методов моделирования и информационных технологий в целом. Так как все технологические операции на сельскохозяйственном поле дифференцированы во времени и пространстве, то учитывать разнообразие почвенных, мезо- и микроклиматических особенностей каждого участка при обработке почвы представляется крайне необходимым. Особенно актуален такой подход для тех районов земледелия, где чрезвычайно распространена пестрота почвенного покрова. В России такими районами являются Северо-Запад и Нечерноземье.

Следовательно, целесообразность разработки систем точного земледелия в условиях реальной микроклиматической неоднородности ландшафтных агроэкологических систем России очевидна.

Точное земледелие, предусматривающее точное и изменяемое в соответствии с требованиями внесение удобрений и средств защиты растений в строгом соответствии с картой обработки получило еще следующие названия: «аккуратного» земледелия; «топоориентированные технологии растениеводства». Такие технологии особенно перспективны в крупных хозяйствах с большими размерами полей, где имеется продолжительный период вегетации, почвы не очень плодородны, а опасность поражения культур болезнями и вредителями достаточно велика.

Возможность перехода к новым технологиям точного земледелия связаны с появлением ГИС- и ГСП-технологий, когда информация из разных источников непосредственно вводится в бортовой компьютер сельскохозяйственной техники. В связи с чем можно регулировать интенсивность технологических операций по ходу движения агрегата по полю (изменение норм высева, норм внесения удобрений, количества применяемых средств защиты растений). Решающую роль в этом процессе играет совершенствование информационного обеспечения методов принятия решений – моделей, баз данных, баз знаний, экспертных систем.

В основе точного земледелия лежит управление продуктивностью посевов, учитывающего вариабельность среды обитания растений. Этой проблемой начали активно заниматься с начала 80-х гг. ХХ века в США, Японии, Германии, Англии, Голландии, Дании, Китае, а с 1990 г. – в странах Восточной Европы. ТЗ рассматривается как неотъемлемая часть ресурсосберегающего экологического сельского хозяйства и подразумевает применение интегрированной системы управления, а не отдельных ее разрозненных элементов.

Точное земледелие – это быстроразвивающаяся система с применением наукоемких технологий, последних достижений техники, новейших методов управления. Фундаментальной частью ТЗ является развитие и адаптация стратегии и практики ведения сельского хозяйства в современных условиях. Главное при таком подходе – измерить, оценить, оптимизировать и использовать на практике факторы, влияющие на продуктивность растений, а именно: водно-физические и химические свойства почвы, ландшафт, семена, применяемая технология, сроки сева и уборки, болезни, вредители, агроклиматические условия и т.п. Технологии точного земледелия позволяют обеспечивать усиленный контроль за проводимыми сельскохозяйственными операциями и отслеживать изменение ситуации во времени в каждой точке контура, сравнительный анализ складывающейся обстановки с прогнозируемым вектором развития событий.

Таким образом, точное земледелие – стратегия менеджмента, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников с тем, чтобы принимать решения по управлению посевами /68/.

Разработка методологии точного земледелия не является «революционным скачком» в совершенствовании агротехнологии. Это — следующий шаг в агрономических исследованиях, который должен учесть все достигнутые ранее результаты в этом направлении, включая разработку динамических моделей, методы поддержки решений, экспертные системы и пр. Новые перспективы, которые и обусловили возможность перехода к новой методологии, связаны с появлением Географических информационных систем (ГИС), Глобальной системы определения координат со спутников (ГСП) с непосредственным вводом информации в бортовой компьютер с сельскохозяйственных машин, обладающих возможностью варьирования интенсивности технологических операций (норм высева, норм внесения удобрений и средств защиты растений) по ходу движения техники по полю. Тем не менее, следует подчеркнуть, что решающую роль в этом процессе играет совершенствование информационного обеспечения методов принятия решений – моделей, баз данных и знаний, экспертных систем.

Цели и задачи точного земледелия

Целью применения технологий точного земледелия на мелиорируемых землях сельскохозяйственного назначения является повышение и поддержание почвенного плодородия. Эти новейшие технологии используют дистанционные методы измерения состояния почв и посевов (аэрофотосъемки, аэрокосмические, спутниковые), в том числе применение геоинформационных систем (ГИС).

Технологии точного земледелия позволяют решить практически многие задачи по применению мелиоративных и агротехнических мероприятий, а также разнообразные научные аспекты агрономической науки в растениеводстве, почвоведении, агрофизике, агрохимии, агрометеорологии. Кроме того, это направление затрагивает и ряд других областей — приборостроение и средства автоматизации, сельскохозяйственное машиностроение, информатику.

К основным задачам, которые должны быть решены для перехода к широкому внедрению в России информационной технологии точного земледелия, относятся следующие /21/:

· В почвоведении и мелиорации очень важным представляется задача выявления таких особенностей почвенного покрова сельхозугодий, которые можно каким-либо образом изменять в оптимальном направлении с помощью технологических приемов или (если изменить нежелательное свойство почвы за короткий срок не представляется возможным) максимально учесть его влияние на продуктивность агроценоза.

· В растениеводстве появляется возможность реально оценивать потенциальную продуктивность сортов сельскохозяйственных культур в конкретных экологических условиях и их отзывчивость на удобрения, фитогормоны и другие средства. В связи с появлением новых возможностей представляется реальным изучение влияния температурного и водного стрессов на рост и развитие растений, а также формирование архитектоники посевов, при которой посев максимально использует приходящую солнечную радиацию.

· Агрофизические свойства почвы являются во многом определяющими при выборе технологии выращивания сельскохозяйственной культуры. Основными задачами, подлежащими дальнейшей разработке, являются построение моделей энерго- и массопереноса в системе «почва-растение-атмосфера», исследование вариабельности основных физических характеристик почвы, влияющих на продукционный процесс и позволяющих прогнозировать его результат. Основной целью создания таких моделей является их использование непосредственно в системах выработки агротехнологических решений.

· Основными вопросами агрохимического спектра задач являются: изучение локальных условий минерального питания растений и темпов миграции элементов питания по почвенному профилю, обоснование новых способов расчета норм основных удобрений и подкормок с учетом почвенных характеристик поля, создание новых видов удобрений пролонгирующего действия.

· В агрометеорологии главными задачами представляются, во-первых, разработка новых методов прогнозирования метеоусловий и их влияния на продукционный процесс, и во-вторых, создание автономных агрометеорологических станций с автоматическим сбором информации.

Перечисленные задачи невозможно решить без соответствующей приборной и технической базы, поэтому очень важна разработка датчиков, приборов и мобильных информационных систем, позволяющих исследовать вариабельность характеристик почвенного и растительного покрова, в том числе собираемость урожая, в пределах конкретного поля. В этой связи перед отечественным сельскохозяйственным машиностроением стоит задача разработать и оснастить сельскохозяйственную технику такими рабочими органами, которые могли бы управляться бортовым компьютером.

Самой существенной особенностью новой технологии является деятельность специалистов в области информатики.

Преимущества применения технологий точного земледелия

Внедрение технологий точного земледелия даёт возможность:

· составить карты урожайности, позволяющие контролировать не только количество собранного урожая, но и выявить неравномерность урожайности в пределах поля, чтобы принять правильные агротехнические решения;

· составить карты типов почв и почвенных разностей;

· составить карты содержания в почве гумуса и микроэлементов;

· провести мониторинг сельскохозяйственных угодий с определением границ участков и составить кадастр угодий;

· провести агрохимобследование почв с определением норм внесения удобрений, а также планирование и расчет норм известкования.

Применение этих технологий обеспечивает высокую точность вождения сельскохозяйственных машин (до 2 см). Например, в овощеводстве при возделывании картофеля и других сельскохозяйственных культур используют стационарные базовые станции дифференциальных поправок. В растениеводстве инновационные технологии точного земледелия дают возможность: получить сведения о возделывании сельскохозяйственных культур; составить балансы питательных веществ; провести бонитировку и составить отчеты по агрохимическому обследованию; осуществить сбор и обработку гидрометеоданных; подготовить статистические данные по использованию сельскохозяйственных машин.

Появившиеся в последнее время новые технические средства и успехи информатики позволяют анализировать и учитывать изменчивость параметров плодородия при выращивании сельскохозяйственных культур в пределах отдельно взятого поля. При современном крупномасштабном сельскохозяйственном производстве стремиться к этой цели можно, лишь призвав на помощь новые уникальные технологии.

Появление новой технологии было обусловлено возросшими требованиями экологической безопасности земледелия, экономии удобрений и средств защиты растений, а также невозобновляемых ресурсов – горюче-смазочных материалов.

 ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

 Основные положения

Развитию точного земледелия послужила необходимость повышения эффективности с.-х. производства посредством учета пространственно-временной изменчивости параметров почвы и растений в пределах поля.

В настоящее время в ряде зарубежных стран, таких как США, Германия, Израиль, ведутся работы по созданию технологий и технических средств для дифференцированного поверхностного и локального внесения минеральных и органических удобрений, мелиорантов в соответствии с оптимальной программой их применения. Исследуются возможности новой технологии, в которой средства химизации применяются на с.-х. поле в строго нормированных дозах и только там, где они необходимы.

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 загрязнений.

Основные элементы системы точного земледелия рассмотрены на примере внесения дозированных норм удобрений /38/.

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.

Почвенная карта поля с учетом уровня плодородия почвы по элементарным участкам составляется на основе точного отбора проб в реальном масштабе времени, контролируемого глобальной системой позиционирования (ГСП). Карта урожайности и состояния посевов составляется на основе оценки урожайности на элементарных участках поля в период сбора урожая, а также оперативной листовой диагностики состояния растений.

Дифференцированное внесение удобрений с учетом их количества на каждой координатной площадке, подбор рациональных сортов возделываемой культуры, регулирование нормы высева и сроков посева способствуют лучшей приспосабливаемости семян к состоянию поля.

Избирательная защита растений, дробное внесение азотных удобрений в период вегетации растений обеспечивают более высокую экономическую эффективность. Дифференцированное внесение удобрений с учетом плодородия отдельных участков поля не предполагает выравнивания пестроты плодородия всего поля, а направлено на более эффективное использование удобрений. При этом необходимо вносить больше удобрений на те участки поля, которые более отзывчивы к удобрениям, и меньше на остальные. В конечном итоге это приведет к более правильному с агрономической точки зрения применению удобрений, большей рентабельности и меньшему загрязнению окружающей среды.

Технологический процесс дифференцированного применения удобрений в системе точного земледелия представляет собой сложную систему, включающую набор технологических операций и технических средств. Основу системы точного земледелия составляют:

· банк данных об урожайности с.-х. культуры, истории применения удобрений, которые представляются в системе координат, жестко связанной с конкретным полем;

· программное обеспечение, позволяющее графически представлять полученную информацию, анализировать ее и принимать управленческие решения по необходимому воздействию на каждый из участков поля со своими координатами;

· технологии и автоматизированные технические средства для дифференцированного внесения средств химизации в принятой системе позиционирования.

Технология дифференцированного применения удобрений базируется на трех технологических блоках:

1. Определение координат агрегата на поле. Это может быть осуществлено наземными или космическими системами позиционирования. Есть основание считать, что в ближайшем времени будет преобладать дифференцированная глобальная система позиционирования (DGPS).

2. Автоматизированный сбор, хранение и обработка информации о состоянии почвы, растений, визуализация этой информации в виде электронных карт (GIS), принятие оптимальных управленческих решений.

3. Машины, системы контроля и управления технологическим процессом дифференцированного воздействия на систему «почва-растение» в принятой системе позиционирования.

Учитывая, что два первых элемента широко используются в других отраслях народного хозяйства, они быстро развиваются вне рамок сельского хозяйства. На разработке машин, систем контроля и управления технологическим процессом должны быть сосредоточены усилия с.-х. инженеров.

ГСП – глобальная система позиционирования

Задача определения координат мобильной сельскохозяйственной техники является одной из главных в точном земледелии по двум причинам. Во-первых, ставится задача дифференциации управления в пределах поля, и участки неоднородности должны быть четко идентифицированы. Вторая причина заключается в том, что управляющие воздействия (нормы высева, нормы поливов, дозы внесения агрохимикатов) должны варьироваться с учетом выявленной неоднородности.

Для определения координат мобильной сельскохозяйственной техники на поле в качестве средства навигации используется ГСП – глобальная система позиционирования (GPS – Global Positioning System).

Системы позиционирования можно в зависимости от требований точности подразделить на четыре класса (таблица 1) /38/.

Таблица 1

Требования к точности систем позиционирования

На территории России открыты для коммерческого использования две спутниковые радионавигационные системы — американская NAVSTAR (Navigational Satellite Time and Ranging)и российская ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система). Они позволяют неограниченному числу любых объектов, имеющих соответствующую аппаратуру, в беззапросном режиме, практически мгновенно и с высокой точностью определять свое местоположение и скорость движения в любой точке планеты. Это сделало реальной перспективу полного обеспечения навигационной информацией сельскохозяйственную подвижную технику и создания на этой основе агротехнологий, построенных на точном знании среды.

ГСП представляет собой систему из 24 рабочих и резервных навигационных искусственных спутников Земли, обращающихся на средневысоких (около 20000 км) координированных орбитах.

Рабочие спутники передают закодированные навигационные сообщения двух категорий: сообщения одинаковой структуры, используемые определяющими свое положение объектами для измерения дальности и радиальной скорости, и сообщения, содержащие служебную информацию, индивидуальную у каждого спутника, которая необходима для повышения точности проводимых навигационных определений.

Такая навигационная система, устанавливаемая непосредственно, к примеру, на трактор, включает в себя приемник спутниковой информации (от 3…4-х спутников в каждый момент времени) и бортовой компьютер с программой, обеспечивающей запись текущих координат при движении объекта с заданным временным шагом. Сельскохозяйственные навигационные системы в принципе могут строиться на использовании сигналов любой из двух спутниковых радионавигационных систем или обеих вместе. В настоящее время более предпочтительны ГСП-приемники, использующие сигналы NAVSTAR, поскольку они сравнительно дешевы, имеются на рынке в широком ассортименте и легко встраиваются в аппаратуру любого назначения. Для получения приемлемой для ТЗ точности 1…5 м необходима дополнительная корректирующая информация.

В Европе до последнего времени использовалась так называемая дифференциальная система позиционирования (ДГСП). На территории, подлежащей контролю, помимо мобильного агрегата выделяется стационарный (неподвижный) объект с координатами, измеренными с геодезической (сантиметровой) точностью, в котором размещается ГСП-приемник – такой же, как и у движущегося объекта, но, как правило, более высокого класса, — и аппаратура на базе мощного компьютера. Так как координаты мобильного объекта при поступлении сигналов от спутников фиксируются с довольно высокой погрешностью (до 100 м), то эти данные нуждаются в корректировке, проводимой с помощью координат стационарной позиции. Путем сравнения определяемых координат контрольной точки с их априорными значениями вычисляется систематическая погрешность, которая может быть отнесена и к движущейся сельскохозяйственной технике. Комплекс устройств, размещенных в контрольной точке, образует так называемую дифференциальную станцию, которая позволяет обеспечивать формирование корректирующей информации для определения местоположения неограниченного количества перемещающихся объектов со среднеквадратичной погрешностью не более 3 м, как правило, в радиусе 50 км.

Сельскохозяйственные навигационные системы могут выдавать данные, которые необходимо будет впоследствии обрабатывать, в том числе и в масштабе реального времени. В первом случае решается только задача сбора топотехнологической информации. Аппаратура для мобильного агрегата выполняется в виде накопителя данных, содержащего ГСП-приемник с вычислителем навигационных определений и малогабаритным блоком энергонезависимой памяти. Затем этот накопитель доставляется на дифференциальную станцию, где данные вводятся в компьютер с хранимыми вычисленными значениями навигационных поправок. С учетом этой корректирующей информации уточняются ранее определенные на агрегате значения его координат и скорости в каждый момент времени. Далее с помощью программ, разработанных с использованием ГИС-пакетов, осуществляется привязка значений технологических параметров к координатам поля. Результирующая информация представляется в виде топотехнологических карт по каждому регистрируемому технологическому параметру или в табличной форме.

Этот тип навигационной системы является основным на этапе подготовки к развертыванию ТЗ в конкретном хозяйстве; этот этап начинается с подготовки топографических электронных карт полей севооборота путем сканирования карт подходящего масштаба на бумажной основе или путем программной обработки данных о координатах, полученных с помощью навигационной аппаратуры. Далее формируются накладываемые на электронную карту слои технологической информации о состоянии участков поля. Электронные почвенные карты предпочтительнее получать на основании результатов анализа почвенных образцов, взятых по заранее определенной жесткой схеме. По этой же схеме строится впоследствии и карта урожайности участка. Отечественные разработки навигационной аппаратуры и программного обеспечения для ТЗ позволяют обеспечить фрагментацию технологического состояния полей до нескольких квадратных метров.

Существуют несколько вариантов коммерческих систем ГСП. Характеристики различных систем отличаются друг от друга по числу задействованных каналов, точности измерений и стоимости оборудования.

В нашей стране существуют ГСП, обладающие следующими характеристиками: недифференциальная российская спутниковая система ГЛОНАСС обеспечивает работу с точностью 50…100 м; при совместном использовании ГЛОНАСС и ГСП точность увеличивается до 20 м.

Основным преимуществом применения системы позиционирования является то обстоятельство, что навигационные системы помогают сельскохозяйственной технике, оснащенной такой аппаратурой, обрабатывать большие площади с учетом особенностей каждого участка.

При переносе этого новшества на отечественную почву, к сожалению, приходится констатировать, что в России нет соответствующей информационно совместимой в масштабе производства сельскохозяйственной техники, оборудованной автоматическими системами мониторинга значений параметров технологического процесса и снабженной автоматическими управляющими системами, т.е. техники для ТЗ. В настоящее время в России трудно перейти от концепции развития сельскохозяйственной техники как системы машин к концепции системы автоматизированных производственных процессов.

Одним из наиболее важных направлений современных научных разработок в технологии ТЗ является разработка интерактивных программных средств, обеспечивающих работу новой техники. Усилия ученых должны концентрироваться на различных аспектах этой проблемы, в том числе на разработке и совершенствовании средств связи с мобильной сельскохозяйственной техникой, создании интерфейса между системами принятия решений и управлением мобильными агрегатами. Эти интерактивные средства поддерживают информационные потоки между фермерским компьютером и управляющим фермой, который, безусловно, должен иметь надежные средства для ввода и хранения данных, их анализа, интерпретации, интеграции и и применения в управлении.

Для ввода данных, как правило, разрабатывается словарь, который определяет структуру имен файлов в соответствии с их содержанием. Файлы организованы в виде базы данных и сохраняются в нормальной форме Directory/File structure. В связи с тем, что пространственные данные должны подвергаться непосредственному визуальному анализу, для этой цели установлены правила представления карт. Однако для всех работающих в этой области специалистов очевиден тот факт, что методология интеграции и практического применения пространственных и временных данных развита недостаточно и требует дальнейшего развития.

Для повышения эффективности применения систем глобального позиционирования ученые проводят исследования в направлении повышения точности определения координат, надежности, расширения сфер применения. Точность приемников сигналов GPS зависит от следующих факторов:

· правильности установки;

· используемой технологии изготовления приемников;

· погрешности, обусловленной несовершенством спутниковых систем;

· состояния атмосферы;

· точности дифференцированного сигнала в случае DGPS.

Ведутся исследования по использованию приемников GPS для вождения агрегатов для внесения удобрений и применения средств защиты по заданному курсу. Имеется и много других преимуществ нового способа вождения с.-х. машин (способность выполнения операций в ночное время, вождение машин-удобрителей с центробежными дисками, осуществление подкормки посевов).

Географические информационные системы (ГИС)

Развитие информационных технологий, использующих системный подход, математические методы и современные компьютерные средства, привело к новым и эффективным инструментам сбора данных, их хранения и манипуляций с ними, к экономному и наглядному отображению этих данных в виде карт — географическим информационным системам (ГИС).

В ГИС – проектах для точного земледелия выделяются карты продуктивности полей (обычно в виде карт собираемых урожаев) и карты почвенного плодородия, карты внешних факторов, воздействующих на посевы в пределах рассматриваемого поля, таких, как тепло- и влагообеспеченность, агроклиматические и агрохимические карты, карты временных трендов урожая, собираемого с изучаемого поля, а также карты других агрофизических и агротехнических характеристик.

Наибольшее распространение получили плоские (двухмерные) карты. Двухмерная система координат на картах ориентирована обычным образом (Север-Юг – по вертикали и Запад-Восток – по горизонтали) с указанием расстояния (в метрах) от места расположения обсерватории (Гринвич в Англии, Пулково в России) или иной реперной геодезической точки, координаты которой известны. Для некоторых задач, например, для почвообразования в ландшафте, применяются объемные (трехмерные) карты. Разграничение на карте областей, отличающихся параметрами, производится раскраской с ранжированием по интенсивности цвета и легендой, соответствующей этому ранжированию. Раскраска может быть как черно-белой, так и цветной.

Учет различных форм изменчивости на поле является сердцевиной оценок и управления в точном земледелии. Оценки пространственной изменчивости урожайности на сельскохозяйственном поле могут быть получены путем сравнения прогнозируемого урожая с полученным в данной точке поля. При этом, естественно, погрешности оценок возрастают на краях полей, а также на полях с сильным пространственным разбросом плодородия или неоднократными сменами лимитирующих факторов. Для получения данных, позволяющих построить карты урожайности, используются монтируемые на уборочной машине измерительные системы: объемная – для зерновых и весовая – для корне- и клубнеплодов. Для определения координат положения уборочного комбайна на сельскохозяйственном поле используется система DGPS.

Построение карт рассмотрено на примере составления карт урожая для корне- и клубнеплодов. Основное назначение карты урожая заключается в фиксации результатов комбайновых уборок посредством непрерывной системы измерений клубней или зерна в сочетании с Глобальной позиционной системой (DGPS). Мобильные буксируемые системы DGPS удобны для использования различных источников информации о величине урожая на поле. Существуют две весовых системы: конвейерная система и трейлерная. Трейлерная система в соединении с системой DGPS является практическим путем для получения урожайных карт некомбайновой уборки.

Для размещения системы весовой оценки урожая, собранного некомбайновым способом, создан трейлер. Разработан метод взвешивания на движущемся трейлере, использующий низкочастотный фильтр и алгоритм осреднения двух последовательных измерений собранной биомассы за каждые 25 секунд с точностью ±0,2 кг/с. Создана тарировочная карта, базирующаяся на DGPS и индентифицирующая направления особенностей поля при сборе урожая сахарной свеклы, а также устанавливающая места, в которых ошибки измерения собранного урожая, вызванные влиянием неровностей поверхности почвы, незначительны.

Ценность карт зависит от того, насколько правильно они будут проанализированы. Главная цель интерпретации карт урожайности – увеличение прибыльности за счет лучшего понимания природных и антропогенных причин, обусловливающих изменчивость урожайности в пределах одного поля.

Для успешной интерпретации карт привлекается дополнительная информация о поле. Для эффективной оценки влияния всей совокупности факторов на урожайность используют ГИС, устанавливающие связь между урожайностью и другими характеристиками поля.

На основе данных об урожайности товаропроизводитель может судить о преимуществах или недостатках конкретной технологии возделывания данной культуры. Изучая изменчивость урожайности в рамках одного поля (на элементарных участках), товаропроизводитель может определить причины, вызывающие это, и устранить их.

Многие факторы, влияние на урожайность, взаимозависимы. Ключом к интерпретации карт является более глубокое понимание причин, вызывающих изменение урожая, и выявление тех из них, которые обусловлены действиями самого производителя во время выращивания соответствующей с.-х. культуры. Составление карт урожайности эффективно лишь в том случае, когда эта информация будет использована для более обоснованного принятия решения. В настоящее время ведутся работы по автоматизации процесса составления карт урожайности с использованием последних достижений в электронике и глобальном позиционировании /37/.

Таким образом, повышение эффективности управления производством растениеводческой продукции может быть достигнуто за счет внедрения геоинформационных систем (ГИС) как одного из основных средств сбора, обработки, передачи, отображения и документирования пространственно распределенной информации о состоянии объектов сельскохозяйственного назначения. ГИС можно рассматривать как набор программных средств, позволяющий вводить, хранить, визуалировать, анализировать и обрабатывать (моделировать) пространственно распределенную информацию об изучаемой территории. Геоинформационная система состоит из трех основных частей: атрибутивно-графических пространственных данных, аппаратно-программного обеспечения и набора программных средств, выполняющих вышеперечисленные функции. С помощью ГИС можно получать оперативную пространственную экспресс-информацию об изучаемом процессе или явлении, необходимую для повышения эффективности принимаемых решений.

Обязательными компонентами геоинформационной системы являются :

· система ввода;

· графические базы данных;

· тематические базы данных;

· система визуализации;

· система управления и обработки;

· система вывода.

ГИС являются естественной средой для представления результатов моделирования пространственных процессов и явлений в виде разнообразных компьютерных карт,генерируемых на мониторе или выводимых на бумажные носители с помощью специальных устройств (принтеров, плоттеров).

Инструментарий ГИС-технологий, используемый для динамического построения тематических карт, позволяет эффективно контролировать исходные и промежуточные данные при моделировании пространственно-распределенных процессов или явлений. Для того, чтобы отобразить изучаемые процессы или явления на тематических картах, используют следующие способы картографирования /67/: ареалов, качественного фона, точечный, изолиний, значков, локализованных диаграмм, картодиаграмм, картограмм, линейных знаков, знаков движения.

Способ ареалов применяется для показа явлений, распространенных на значительной площади, не имеющих количественных характеристик. Он может быть использован, например, для показа территорий, которые не обеспечены достаточным водоснабжением и т.п. Разновидностью способа ареалов является количественный ареал. Он может быть использован для показа районов, где полив на единицу площади превышает допустимые нормы.

Способ качественного фона – применяется для показа качественных различий в пределах изучаемой территории. Он может быть использован, например, при районировании территории хозяйства по потенциальной плодородности полей.

Точечный способ в основном применяется для показа абсолютного количества тех или иных явлений. Впрочем, имеется одна из разновидностей этого способа, при котором вес точки выражает не абсолютное, а относительное количество изучаемого явления. Существуют два подхода к расстановке точек: статистический, при котором точки расставляются равномерно по всей площади района без учета фактического размещения явления, и географический, при котором точки ставятся только в тех частях районов, в которых явление действительно распространено. Точечным способом можно отобразить структуру явления; при этом разный цвет точек используется для обозначения его качественных составляющих. Он может быть использован, например, для показа относительного количества созревших растений. При этом каждой точке соответствует определенное количество созревших растений, например, 100 растений на квадратный метр.

Способ изолиний применяется для обобщения количественной характеристики явлений, имеющих сплошное и непрерывное распространение на значительной площади с более или менее постепенным изменением их интенсивности. Для улучшения наглядности участки между изолиниями нередко закрашивают красками. Густота оттенка краски возрастает с увеличением показателей изолиний.

Способ значков применяется для отображения явлений, размещенных на столь малых территориях, что их нельзя показать в масштабе карты. Сущность этого способа заключается в том, что на карте в точках, соответствующих местонахождению явления, изображают внемасштабный условный знак, размер которого показывает величину картографического явления. Он может быть использован, например, для показа мест расположения насосных станций, мест установки поливочных машин и т.д.

Способ локализованных диаграмм применяется для отображения явлений, имеющих сплошное распространение на большой территории. Этим способом показывают абсолютные или относительные размеры изучаемого явления в отдельных точках карты. Размер явления выражается диаграммой, построенной в определенной шкале. Его можно использовать, например, для показа производительности насосных станций, представления информации о поступлении воды и т.д.

Способ картодиаграмм применяется для отображения суммарных размеров какого-либо явления в пределах определенных единиц территориального деления. Этим способом можно отобразить не только суммарную абсолютную величину явления в каждой единице территориального деления, но и его структуру. Условные значки картодиаграмм обычно имеют форму круга, квадрата, прямоугольника иди других геометрических фигур. Он может быть использован, например, для показа химического состава дренажных стоков, характеристик участков по совокупности признаков и т.д.

Способ картограмм применяется для отображения на карте относительных размеров явления, среднего для той или иной единицы территориального деления. Размер явлений выражают на картограмме фоновой окраской или штриховкой, выполняемой по принципу: чем больше показатель в каком-либо из выделенных районов, тем интенсивней окраска (гуще штриховка). Он может быть использован для показа урожайности в хозяйстве, объема потребления полями воды и сброса стоков и т.д.

Способ линейных знаков применяется для показа местоположения протяженных объектов и их особенностей, длина которых может быть выражена в масштабе карты, а ширина – нет. Он используется для показа водопроводной и дренажной сети.

Способ знаков движения применяется для показа перемещения в пространстве различных объектов и явлений. При данном способе направление и путь перемещения изображают посредством линий, стрелок и полос. При необходимости указания на карте величины перемещающегося явления — применяют стрелки или полосы разной ширины (эпюры). Он может быть использован для показа направления движения и химического состава дренажных стоков на каждом участке.

Естественной средой для объединения информации из различных источников является единая цифровая картографическая основа, представленная в виде базовой карты.

Формирование баз данных (БД) ГИС во многом определяется той связью, которая существует между картографией и геоинформатикой. Это, в частности, проявляется в том, что карты являются главным источником формирования БД ГИС и основной формой для представления пользователю итоговой информации. Кроме того, картографическая основа, используемая в ГИС, является основным средством интеграции и привязки любой другой информации, а картографический метод является одним из основных методов моделирования в ГИС.

Геоинформационное картографирование определяется как создание и использование карт на основе ГИС-технологий. Оно обладает следующими возможностями: системностью отображения явлений природы и общества; оперативностью картографирования, вплоть до составления карт в реальном масштабе времени; разнообразием средств визуализации, созданием новых видов геоизображений (электронных карт, трехмерных моделей, картографических анимаций и т.д.).

С помощью ГИС-технологий может быть организовано эффективное решение следующих задач: изучение структуры геосистем разного иерархического ранга; выявление взаимосвязей и взаимообусловленности объектов и явлений, оценка системообразующих связей; анализ динамики процессов, траекторий возможного развития явлений во времени и в пространстве; оценка и районирование территории по заданному параметру или набору параметров.

Современные ГИС представляют собой новый тип интегрированных информационных систем, которые, с одной стороны, используют методы обработки и анализа данных, свойственные существовавшим ранее автоматизированным системам, а, с другой – методы работы с пространственно-временной информацией. Практически ГИС – это многоцелевые, многоаспектные системы. В качестве автоматизированных систем они объединяют ряд технологий или технологических процессов известных информационных систем типа автоматизированных систем научных исследований, систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-информационных систем и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это обеспечивает качественно более высокий уровень развития ГИС, существенно упрощает решение проблем обмена данными и выбора систем программно-технического обеспечения. Современные ГИС рассчитаны не только на обработку данных, но и на проведение экспертных оценок. При этом данные, которые обрабатываются и хранятся в ГИС, имеют не только пространственную, но и временную характеристику. По этой причине ГИС являются оптимальным средством для информационного обеспечения при решении задач комплексного природопользования.

Одним из преимуществ систем информационной поддержки принятия решений по комплексному природопользованию, создаваемых на базе ГИС, является то, что они позволяют в одной информационной среде и на основе единой базы данных решать различные задачи территориального развития. Например, в среде ГИС специалист по дорожному строительству может на основе трехмерной компьютерной модели местности оценить устойчивость склонов при выборе трассы будущей дороги. Агроном, используя те же самые данные, может проанализировать процессы эрозии почв на территории. Специалист по лесоустройству может оперативно отслеживать объемы вырубок или последствия лесных пожаров на этой территории.

ГИС может успешно применяться при анализе системных связей. Например, специалисты агрохимслужбы могут использовать ГИС для исследования пространственных связей между кислотностью почв и типом растительности, а сотрудники гидрологической службы с помощью ГИС могут исследовать связь между уровнем грунтовых вод и типом подстилающих пород. При этом все специалисты могут пользоваться единой информационной базой данных, имеющей общую пространственную привязку к базовой картографической основе, что дает возможность комплексно учитывать доступное множество факторов в каждой конкретной точке территории.

Информационные технологии в точном земледелии

Информационные технологии в точном земледелии охватывают широкий круг понятий – экспертные и геоинформационные системы, информационно-измерительные и вычислительные комплексы, глобальные системы позиционирования, дистанционные и бортовые датчики, а также исполнительные органы сельскохозяйственной техники, приспособленные для работы в автоматическом режиме под управлением компьютеров /66/. Однако в качестве центрального звена в системе управления ее интеллектуальным ядром является динамические модели продукционного процесса и агроэкосистем в целом /68,69,78/.

Динамические модели используются на всех трех уровнях принятия решений – стратегическом, тактическом и оперативном.

Однако большинство опубликованных работ относятся к оперативному уровню поддержки решений. Вопросам применения метода моделирования в точном земледелии посвящен ряд докладов, прочитанных на 2-й Международной конференции по этой тематике (4^thInternational Conference on Precision Agriculture, 12-22 July 1998, St. Paul, MN, USA) /69/.

Все существующие динамические модели исторически были предназначены для предсказания среднего урожая по полю и его изменчивости, связанной с вариациями погодных условий. Поэтому, по существу, от исследователя требуется модифицировать модель с тем, чтобы получить возможность проанализировать ее чувствительность к вариациям почвенных и ландшафтных параметров и выявить закономерности отклика модели на эту изменчивость.

Исследование применимости моделирования в точном земледелии проведено в США применительно к модели кукурузы – CERES. Для анализа выбраны семь участков на поле размером в 36 га. Участки различались по глубине верхнего слоя почвы, величине склона и его азимуту. Калибровка модели выполнена по данным сезона вегетации 1997 года. Плотность посева – 62000 растений на га. В ходе продукционного процесса с помощью нейтронного влагомера еженедельно измерялась влажность почвы на глубинах 15,30,45,60,80,100 и 120 см. Кроме того, периодически измерялись величина листового индекса и глубина проникновения корней и оценивался урожай зерна. На основе полученных результатов были оценены 6 параметров модели и выполнен динамический расчет. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными по исследованным показателям показало их удовлетворительное соответствие. В частности, рассчитанная и фактическая величины урожая по 7 участкам изменялись в пределах 25…98 ц/га.

Аналогичные подходы развивались при исследовании применимости модели к задачам координатного управления на примере модели хлопчатника ICEMM.

В качестве входных данных в модели используются:

· суточные погодные данные – температура воздуха, осадки, солнечная радиация и скорость ветра;

· начальные показатели плодородия почв – содержание нитратов, аммония и органического вещества;

· физические параметры почвы – объемная масса, гидравлическая проводимость и кривая водоудерживания;

· характеристики посева – сорт кукурузы, расстояние между рядками, плотности посева, удобрения и регуляторы роста.

Для отработки модели были выбраны два соседних поля по 20 га. Эксперимент по учету вариабельности характеристик почвы и ее влияния на продукционный процесс был выполнен в течение одного года. Каждое поле разделялось на участки по 2 га. На выделенных участках были отобраны почвенные пробы и определены основные показатели плодородия почв. Данные по пяти участкам были использованы для калибровки модели. В процессе уборки урожай оценивался путем отбора проб вручную по сформированным маршрутам. В результате анализа получены следующие данные. Фактический урожай изменялся в пределах от 4420 до 8440 кг/га, при среднем значении 5850 кг/га, а смоделированный урожай варьировался в пределах 3850…10890 кг/га при среднем значении 6190 кг/га. Среднее значение расчетной величины урожая отличается от фактической на 6%. Вариабельность фактического урожая качественно соответствует расчетным величинам.

Свойства почвы меняются от точки к точке случайным образом. Вследствие чего учет этой изменчивости при проведении тех или иных технологических операций является одной из центральных задач в точном земледелии. Для целей управления с.-х. машинами должны быть выбраны территориальные единицы, так называемые единицы управления. Под этим понятием подразумеваются участки поля (контура), в пределах которых можно ожидать одинаковых результатов по продуктивности посевов и (или) по динамике движения почвенных растворов, несмотря на некоторые различия в характеристиках почвы в пределах этого участка. Это понятие можно применить также к переменной величине склона и его ориентации, к близости водоема и к другим ландшафтным характеристикам. Для выделения единиц управления предлагается использовать динамические модели с тем, чтобы, рассчитав, например, величину урожая за ряд лет при варьировании гидрофизических и иных характеристик почвы объединить затем варианты точечных данных в однородные массивы.

Экспертные системы информационных технологий в точном земледелии выдают советы, проводят анализ, дают консультации, ставят диагноз. Они могут использоваться при планировании сельскохозяйственного производства и для управления в системах точного земледелия.

Структура экспертной системы состоит из базы данных, базы знаний, подсистемы вывода (множества правил, по которым осуществляется решение задачи), подсистемы приобретения знаний и диалогового процессора.

База данных содержит в себе всю необходимую цифровую и буквенную информацию, на основе которой экспертная система и делает свои выводы.

База знаний является наиболее важной компонентой экспертной системы, на которой основаны ее «интеллектуальные способности». В отличие от всех остальных компонент, база знаний – переменная часть системы, которая может пополняться и модифицироваться экспертами, а также в результате опыта использования экспертной системы между консультациями (а некоторых систем и в процессе консультации). Существуют несколько способов представления знаний в подобных случаях, однако общим для них является то, что знания представлены в символьной форме (элементарными компонентами представления знаний являются тексты, списки и другие символьные структуры).

Главным достоинством экспертных систем является возможность накопления знаний и сохранение их длительное время. В отличие от человека к любой информации экспертные системы подходят объективно, что улучшает качество проводимой экспертизы, а при решении задач, требующих обработки большого объема знаний, возможность возникновения ошибки очень мала.

Основными отличиями экспертных систем от других программных продуктов являются использование не только данных, но и знаний, а также специального механизма вывода решений и новых знаний на основе имеющихся. Знания в экспертной системе представляются в такой форме, которая может быть легко обработана на ЭВМ,

Итак, экспертные компьютерные системы являются первым существенным шагом на пути практических достижений в области искусственного интеллекта. Успех проектирования экспертных систем для моделей точного земледелия связан с эффективностью специализированных средств по внешнему представлению знаний, их дальнейшей обработкой на ЭВМ с целью хранения и извлечения при решении конкретных задач