Введение
Отечественным сельхозпроизводителям все труднее конкурировать с западными аграриями. Часто сельскохозяйственная продукция (овощи, фрукты и т. д.) привезена за тысячи километров, в стоимость которой входят расходы на транспортировку, оказывается дешевле, чем выращенная на территории России. Понятно, что условия конкурентной рыночной стихии заставляют иностранных фермеров брать на вооружение лучшее, что предлагает современная наука.
Бурное развитие в последние годы вычислительной техники и информационных технологий, точных геоинформационных и картографических систем создал условия для распространения достижений информатизации на сферу производства продукции растениеводства с целью ее оптимизации.
На данный момент возможности экстенсивного и интенсивного развития растениеводства практически исчерпаны. Остро встала проблема разумного использования имеющихся природных ресурсов, сохранения их для будущих поколений.
Основные возможности увеличения продуктивности растениеводства теперь связывают со строгим выполнением рекомендаций научно-обоснованной интенсивной технологии по требованиям по времени, месту и количеством расходных материалов на проведение операции. Способствовать соблюдению этих требований должно должное информационное обеспечение.
Применение информационного подхода к управлению позволяет на основе научно-обоснованной технологии для выбранной культуры определить и реализовать в хозяйстве оптимальную технологию формирования урожая, адаптированную к местным условиям. Ее практическая реализация связана со строгим контролем за фактическим ходом агротехнологического процесса, накоплением и учетом местного опыта.
Географические информационные системы (ГИС) – это современные информационные технологии для картографирования и анализа объектов реального мира. Геоинформационные технологии являются естественной и необходимой составляющей любой информационной системы, в которой имеются пространственные данные. Информационные системы агрокомплекса в этом отношении – не исключение.
Система точного земледелия
Точное земледелие (Précision Farming (Agriculture)) – это система взаимоувязки мероприятий, основанных на оптимизации использования технологических материалов (семян, удобрений, средств защиты, регуляторов роста растений) и зимостойкости на конкретном участке поля, в соответствии с требованиями определенной сельскохозяйственной культуры, состояния почвы и сохранения окружающей среды, учитывая уникальные особенности каждого элементарного участка поля.
Система точного земледелия (СТЗ) позволяет не только получать дешевую продукцию лучшего качества, но и снижать вредное агротехногенне нагрузки за счет уменьшения расходов пестицидов, удобрений и т.д.
Комплексные технологии производства сельскохозяйственной продукции (Précision Farming), стали активно развиваться за рубежом еще в конце 90-х годов и признаны мировой сельскохозяйственной наукой, как достаточно эффективные передовые технологии, переводящие агробизнес на более высокий качественный уровень.
Принципы точного земледелия предоставляют новый смысл применению интенсивных технологий, без ухудшения качества окружающей среды, за счет реализации адаптивного потенциала вида, сорта, агробиоценоза, то есть их биологической способности приспосабливаться к условиям окружающей среды. Чтобы реализовать адаптивный потенциал растений, надо полностью использовать их биологические возможности не только для повышения потенциальной продуктивности при благоприятных условиях среды, но и для увеличения экологической устойчивости (противостояние суховеи, засухам, морозам, низким температурам). При таких условиях будет расти потенциальная производительность сорта, агробиоценоза, что рассматривается как решающий фактор увеличения урожайности.
Научный и технический прогресс позволяет сегодня широко применять в сельском хозяйстве современные технологии планирования и использования агротехнологий. На данный момент широко используются бортовые компьютеры, СРБ-приемники, методы дистанционного зондирования, геоинформационные системы (ГИС).
Постепенный переход к практическому внедрению точного земледелия является проявлением общей тенденции роста роли информационных технологий во всех сферах жизнедеятельности человека, а в производстве позволяет существенно поднять его технический и организационно-управленческий уровень, за счет высокой оперативности и разнообразия решений, которые принимаются.
Одним из главных путей решения задач земледелия пространственно-временная оптимизация условий для растений. Точное земледелие в современном понимании преимущественно ориентировано на пространственную оптимизацию. Для этого нужно, во-первых, обеспечить равномерное размещение растений в поле, за строчной сева означает – на одинаковом расстоянии. Этим создают одинаковые площадь и объем питания для растений. Во-вторых, удобрения, пестициды нужно вносить так, чтобы обеспечить равноценные условия для растений. Однако, высокие точность и равномерность применения технологических материалов, вследствие использования более совершенной техники, не гарантируют создание одинаковых условий для растений, поскольку на разных участках поля они могут в неравнозначных условиях, в связи с вариабельностью почвенного покрова и свойств почвы, засоренности поля и заселенности его вредителями и тому подобное. Это, в свою очередь, может привести к разрыву в темпах роста и развития растений, формирования разного качества урожая, неодновременности его созревания. Следовательно, задача состоит в осуществлении технологических мероприятий в соответствии с потребностями растений и фитосанитарной ситуации состояния посевов на каждой элементарной участке поля, для чего нужны его подробные картограммы данным впрок элементов питания, плотность сорняков, состояние растений, биологическая урожайность и тому подобное.
Точное земледелие предусматривает:
1) детальное картографирование поля по основным агротехническими параметрами;
2) координатное привязки машинно-тракторных агрегатов в поле;
3) точное выполнение технологических мероприятий в соответствии с особенностями элементарных участков поля.
Точное земледелие включает в себя многие элементы, которые можно разделить на три основных этапа:
- Сбор информации о хозяйстве, поле, культуру, регион;
- Анализ информации и принятие решений;
- Выполнение решений – проведение агротехнологических операций.
Основными составляющими СТЗ является географическая информационная система (FIC, GIS), дифференцированная глобальная система позиционирования (ДГСП, DGPS) и технология сменных норм внесения (ЗНВ, VRT).
Географическая информационная система (Geographic Information Sуstem, GIS) – это система компьютерных аппаратных средств и программного обеспечения, предназначенная для сбора и обработки данных по агротехнологических параметров элементарных участков поля.
Информацию можно собирать отбором проб в поле (например, для определения агрохимических показателей) со следующими обработкой результатов анализов и привязкой их к координатам мест отбора. Создан оптические приборы с бесконтактными датчиками, с помощью которых в инфракрасном излучении с самолетов или спутников фотографируют поля. Информация с характеристиками параметров накапливается в базе данных (Data base), используется для составления тематических карт (Thematic map) урожайности, содержания элементов питания, норм внесения технологических материалов и т.д.
Дифференцированная глобальная система позиционирования (Differential Global Positioning Sуstem, DGPS) – радионавигационная спутниковая система, специально скорректирована для определения местоположения стационарных и мобильных объектов в трех мировых координатах (долгота, широта, высота) с точностью до десятков сантиметров. Есть улучшенным вариантом глобальной системы позиционирования (GPS – Global Positioning Sуstem). Global Positioning Sуstem – глобальная система позиционирования, что позволяет в любом месте Земли определить местонахождение и скорость объектов. На их основе разработаны системы параллельного вождения и автопилоты для управления движением тракторов и комбайнов.
Простейший прибор состоит из терминала-спутникового приемника, устанавливается в кабине трактора на лобовом стекле (или в любом другом удобном месте) и показывает трактористу, как выруливать руль, чтобы трактор/агрегат двигался как можно ровнее линиями.
Для того чтобы понять необходимость применения устройств параллельного вождения и создание системы координат, приведем такой пример, при проведении технологической операции по уходу за растениями – внесение инсектицидов, 18 метровый опрыскиватель должен равномерным слоем покрыть поле. Чтобы тракторист ехал не "на глазок" на поле расставляют маяки (работники, которые отмеряют линии равные ширине агрегата) на которые, в свою очередь, ориентируется механизатор. На практике обычно все сложнее и после обработки агроном сталкивается с такими проблемами, как пропуски и перекрытия.
Как бы добросовестно работник не отмерил линию он все равно ошибается. И расстояние между линиями может быть и 17, и 19 метров. Обычно на поле используется менее 2 маяки, каждый из них ошибается по-своему. Кроме того ошибается и сам механизатор, ведь маяк может находиться на расстоянии до полукилометра, а то и больше. Опять же возникают пропуски и перекрытия.
В реальной работе Вы никогда не увидите идеального рисунка обработки поля, обычно это выглядит так:
Рисунок 1 – Ошибки механизатора: где dпроп – пропущенные участки; dпер – перекрыты участки
Результатом двойного внесения пестицидов является угнетение растений. А пропуски – это неэффективное использование площади, трудности, возникающие при сборе урожая, полигон для размножения сорняков.
Момент необходимости применения навигаторов, это внесении химии. В 70 процентах случаев, химию желательно вносить при температуре 17-20 С° в безветренную погоду, чтобы достичь максимального эффекта. Работать ночью используя маяки невозможно.
Использование простых систем параллельного вождения позволяет работать ночью или при плохой видимости, уменьшить перекрытия с 1,5 м (обычная величина) до 30 см, на поле площадью 100 гектаров, общее перекрытия уменьшается с 7,5 до 1,5 гектара.
Радионавигационные системы в своей работе используют спутниковую связь. Известно, что вокруг земной поверхности, на 6-ти орбитах движется 24 спутника (активных) (рис. 2). Скорость сигнала посылает спутник 300000 км/с. Для определения местоположения объекта нужно сигнал трех спутников, для определения положения над уровнем моря четырех, для работы с точным земледелием шести.
Существуют такие виды сигналов: 1) бесплатные; 2) платы; 3) базовые станции и РТК.
Взаимное расположение спутников, отслеживается приемником, постоянно меняется по мере их движения на орбитах. Конфигурация спутников оценивается параметром DOP (Dilution of Precision - потеря, ослабление точности). В общем виде, при DOP<4 приемник GPS обеспечивает достаточную точность определения местоположения. Чем больше спутников находится в зоне видимости приемника, тем больше точность определения координат будет обеспечиваться.
Рисунок 2 – Искусственные спутники Земли
Рисунок 3 – AGROCOM BASELINE
Для сигналов со спутников существуют классы точности:
I класс точности, это наиболее точное определение местоположения объектов, обеспечивается он стационарными радиостанциями (RTK - Real-Time Kinematics – кинематика в реальном времени). RTK – местная стационарная станция, имеет радиус действия до 50 км, точность ± 3 см и Base Line (рис. 3) местная станция, работает она в радиусе 5 км, точность ± 5 см.
Базовая станция позволяет проводить все виды сельскохозяйственных работ, в том числе точный посев, локальное внесение удобрений и точную культивацию пропашных культур. С помощью данной системы можно из года в год придерживаться одной и той же технологической колеи или попадать в одни и те же строки, чтобы сеять "след в след" несколько лет.
Стационарные радиостанции представляют собой чемоданы весом до 4 кг, в которых находятся GPS-приемник, радиомодем и антенна.
II класс точности, обеспечивается лицензионным, платным сигналом от спутника Omnistar. В зависимости от типа подписки Omnistar обеспечивает несколько уровней точности: VBS и НР/ХР.
VBS (виртуальная базовая станция) дает почти такую же точность, как EGNOS - ± 15-20 см. Этого достаточно, чтобы качественно проводить опрыскивание или внесение удобрений. Подписка на VBS стоит до 1,5 тыс. Евро в год, или 3 евро в час (при заказе не менее 150 часов).
НР / ХР обеспечивает точность ± 5-10 см. Использует спутниковую навигацию для посева пропашных культур, дальнейшей обработки строк и составления карты полей и урожайности. Годовая стоимость НР / ХР стоит на порядок дороже. Чтобы пользоваться сервисом VBS и НР / ХР, нужно иметь GPS-приемник, который поддерживает такие услуга, или совершенствовать GPS-приемник начального уровня, добавив к нему специальную антенну и программное обеспечение.
III класс точности, дают американские спутники EGNOS (European Geostationarу Navigation Overlaу Services - система широкозонной дифференциальной навигации) / WAАS и E-Dif (рис. 6).
Этот сигнал бесплатный, обеспечивает точность до ± 15 см, позволяет проводить внесения агрохимикатов, боронование и посев. Кроме того можно определять площадь полей и следить за техникой, которая работает в поле.
IV класс точности, это GPS - Global Positioning Sуstem сигнал. Он обеспечивает точность ± 100 см.
На точность сигнала при работе в поле влияет много факторов: лесополосы, элементы рельефа, линии электропередач и др.
Поэтому на практике точность сигнала в течение рабочего времени корректируется.
Перед тем как выбрать которому сигналом необходимо работать надо взвесить все за и против.
Рис. 13. Outback S2 и RTK мобильная станция при работе с сигналом EGNOS или EDIF
Для небольшого хозяйства можно использовать прибор с ручным управлением и точностью 30 см, устанавливаемый на МТЗ который агрегатируется с широкозахватных агрегатом, как опрыскиватель или разбрасыватель удобрений.
Владельцу, что мощный импортный трактор и желает вести посев не пропашных культур, чтобы использовать его на все сто процентов, нужен автопилот с бесплатным или платным сигналом.
Предприятию, использует 2-5 автопилотов следует использовать базовую станцию или РТК.
Наиболее распространенными системами параллельного вождения являются: CLAAS GPS COPILOT, TeeJet Centerline, E-DRIVE S2, OUTBACK S 3, EУE-DRIVE, DUO-DRIVE и другие.
Точное управление сельским хозяйством начинается с управления сельскохозяйственными машинами, которое осуществляется по визуальной поддержки автоматического управления сельскохозяйственными марганца параллельно определенной предельной линии (линия A-Б рис. 14 и 15) и прохождения машины параллельно контурам поля.
С помощью такого вождения можно сделать параллельные прямые и кривые, а также круговые и спиральные ряды. Если на поле есть препятствия (например, ячейка с деревьями), то устройство приостановит параллельное вождение и объедет его, а затем продолжит выполнять ряд. Можно усложнить задачу, задавая зону разворота на краях поля. Тогда устройство рассчитывает поворот и будет ориентироваться, когда и как возвращать. При установлении такой системы на трактор механизатор наблюдает за показателями устройства в середине кабины и следит только за тем, чтобы на поле не встретилось камни и другие крупные препятствия.
Рис. 14 и 15. Прохождение сельскохозяйственного агрегата параллельно контурам и поворотам поля
CLAAS GPS COPILOT позволяет работать ночью и при плохой видимости на бесплатных сигналах E-Dif (более точный сигнал) и EGNOS (стандартный сигнал для систем параллельного вождения). Имеет точность ± 15 см.
E-DRIVE S2 дает возможность выполнять внесения пестицидов, удобрений, проводить Почвообрабатывающие операции, скашивания, занял и уборки урожая.
OUTBACK S 2 (рис. 16) - новейшая система параллельного вождения с гидравлической системой подруливания, системой компенсации наклона трактора и базовой станцией. Базовая станция дает точность 5-10 см, имеет неограниченное время работы, что позволяет осуществлять высококачественный занял пропашных культур.
EУE-DRIVE позволяет проводить защиту растений, внесения удобрений, почвообрабатывающие операции, скашивания, посев, посадки картофеля, сбор урожая.
Обеспечивает движение по пути, гребнях, бороздам, строках и валках.
Рис. 16. Система параллельного вождения OUTBACK S 2 с гидравлической системой подруливания
Использование устройств параллельного вождения предоставляет следующие преимущества:
• максимально используется ширина агрегата, перекрытие строк сводится к минимуму;
• позволяет работать ночью и при низкой видимости - увеличивая при этом коэффициент загруженности техники (производительность техники может увеличиться на 15-20%);
• исключает необходимость дополнительных материалов для маркировки строк;
• повышает скорость движения агрегатов и комфортность работы водителя.
Нельзя не упомянуть, также, о системах визуального вождения, не использующих спутники, а оборудовании цифровыми камерами и имеют точность ± 3-5 см (рис. 17). LASER PILOT с помощью лазерного луча определяет ираници строк и на основе полученных сигналов направляет зерноуборочный комбайн, оптимально использует при этом жатку. Эта система обеспечивает высокую эксплуатационную надежность даже при работе с павшими зерновыми и ночью, оптимально использует ширину захвата жатки, увеличивает точность определения площади и расположения урожая, повышает производительность скашивания.
Система параллельного вождения предлагает активное участие механизаторов в управлении машиной, а автопилот позволяет автоматизировать процесс управления. Автопилоте бывают двух уровней: полностью автоматическая система, когда участие механизатора не требуется, и система вспомогательного управления (подруливающее устройство).
Рис. 17. Система визуального вождения LASER PILOT
При работе с подруливающим устройством механизатору нужно следить за препятствиями на пути и брать управление на себя в конце ряда, когда нужно развернуться.
Благодаря современным камерам стало возможным полностью автоматическое управление даже при движении техники по путям, рядах и гребнях. Это дает существенные преимущества при работе с вертикальными культурами. Результатом становится существенная доля сохранения растений, особенно таких ценных строчных культур, как земляника, спаржа, картофель и т. Д. (Рис. 18).
С помощью уникальной трехмерной камеры система CLAAS САМ PILOT регистрирует пространственную структуру поля перед трактором.
Автоматически и не травмируя растений она направляет машину по рядам, путях, гребнях, валках и бороздам.
Для того чтобы понять необходимость использования приборов
параллельного вождения в современном растениеводстве, приведем
экономический расчет расходов, связанных с выращиванием сельскохозяйственных культур на примере рапса, пшеницы,
подсолнечника и ярового ячменя (табл.
6), по данным компании "Агро ИТ".
Рис. 18. Система CLAAS САМ PILOT