Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие. Учебное пособие

автоматический мониторинг урожайности и составление карт урожайности, а в перспективе, карт рентабельности полей;

мониторинг и контроль над использованием дорогостоящей техники (GPS/ГЛОНАСС);

накопление и хранение данных в электронном виде, что позволяет отслеживать динамику процессов в наглядной и удобной для работы форме;

многофакторный анализ и визуализация собранных данных, в том числе за несколько лет;

информационная поддержка принятия решений и контроль над их исполнением.

Для реализации системы точного земледелия необходимо следующее специальное оборудование:

приемники сигналов спутниковых радионавигационных систем GPS/ГЛОНАСС с функцией дифференциальных поправок, обеспечивающих дециметровую точность позиционирования на местности;

бортовые компьютеры для тракторов и другой сельскохозяйственной техники;

оборудование для систем параллельного вождения и автопилотирования;

геоинформационные системы (ГИС) с данными дистанционного зондирования Земли (аэро– и космическая съемка), картами урожайности, химического состава полей и т. д.;

бортовые датчики на зерноуборочной технике для мониторинга урожая;

дистанционные датчики для измерения температуры и влажности почвы, определения состояния растений и т. д.

Наилучшие результаты при реализации концепции системы точного земледелия отмечаются в том случае, когда все данные стекаются в единый диспетчерский центр, где программные средства объединяются в единую корпоративную систему управления ресурсами.

Второй компонент системы точного земледелия – это корректировка доз внесения удобрений и средств защиты растений в режиме реального времени в зависимости от состояния растений, наличия сорняков на каждом конкретном участке обрабатываемого поля. Для этого применяются специальные сканеры и сенсоры, которые в процессе работы опрыскивателя или машины для внесения удобрений корректируют количество вносимых препаратов. При традиционном земледелии, как известно, нормы внесения удобрений и средств защиты растений едины для всего поля.

В процессе внедрения точного земледелия обеспечивается комплексный подход к применению информационных технологий, который помогает оперативно принимать правильные решения с использованием программных средств, спутниковых данных и средств спутниковой навигации. Использование «минимальной» или «нулевой» технологии в последние годы делает практически невидимой границу между обработанным и необработанным участком поля. Повсеместное внедрение широкозахватной техники, проведение некоторых работ ночью (например, опрыскивание) окончательно убеждают, что пришло время управлять сельхозтехникой по приборам.

Целью точного земледелия является получение максимальной прибыли при условии оптимизации производства, экономии удобрений, извести, ядохимикатов, воды, рационального использования природных ресурсов, защиты окружающей среды. Все это приводит, в конечном счете, к повышению эффективности управления сельскохозяйственным производством.

Контрольные вопросы и задания

1. Что подразумевается под понятием «точное земледелие»?

2. За счет каких основных критериев при применении точного земледелия обеспечивается улучшение состояния полей и повышение эффективности агроменеджмента?

3. Назовите три основные и наиболее распространенные составляющие точного земледелия.

4. Что является основным отличительным признаком технологий точного земледелия?

5. Для чего при применении технологий точного земледелия необходимы САПР?

6. Что является целью точного земледелия?

7. Назовите основные задачи и направления работ в области точного земледелия в настоящее время.

2. Исторические аспекты координатного земледелия

С развитием сельскохозяйственного машиностроения и выпуском новых образцов техники, таких как комбинированные орудия, энергонасыщенные тракторы, самоходные комбайны и опрыскиватели, в земледелии стали более широко применяться различные технические и электронные средства механизации и автоматизации производства. Однако первые экспериментальные образцы сложных и дорогостоящих приборов электроники оказались не приспособленными для полевых работ. Они отличались относительно большими габаритами и плохо работали в условиях высокой влажности, при наличии динамических нагрузок, а также при недостаточно квалифицированном уровне их эксплуатации и обслуживания.

Со временем стали появляться более надежные и компактные образцы электроники, обладающие влаго– и пылезащитными свойствами, не требующие частого обслуживания и ремонта. При этом они были достаточно просты в применении, что способствовало продвижению их в агропромышленной комплекс и, в частности, в точное земледелие. Были разработаны адаптированные к сложным сельскохозяйственным условиям специальные образцы микропроцессоров, фотоэлектрические, электромагнитные, пьезоэлектрические, электромеханические и другие виды датчиков и сенсоров, электронные приборы и оборудование.

Внедрением новых средств электроники в сельское хозяйство начали заниматься в 80-х гг. прошлого столетия в Японии, Германии, Англии, Голландии и США. При этом само понятие точного земледелия зародилось в Великобритании, где на ферме в графстве Саффолк (англ. Suffolk) на протяжении трех лет проводились работы по предварительному координатному анализу почвы в проблемных зонах, дифференцированному внесению удобрений в строгой зависимости от уровня плодородия, а также последующего картографирования полученной урожайности. Удобрения вносились машиной Amazone-M-Tronic с возможностью их точного дозирования. Комплекс проведенных мероприятий по сравнению с внесением постоянных доз удобрений по всему полю позволил обеспечить годовую экономию средств в среднем 17,2 фунта стерлингов на каждый гектар пашни, обрабатываемой по новой технологии.

Эти и другие аналогичные работы способствовали тому, что первые значительные достижения по применению электронных средств автоматизации на сельскохозяйственной технике были получены разработчиками машин для внесения удобрений и защиты растений. Так, на международной агротехнической выставке SIMA-1976 в Париже, опрыскиватель Hydroelectron фирмы Tecnoma, оснащенный электронным регулятором пропорциональной подачи раствора в зависимости от скорости движения агрегата, был удостоенный золотой медали. Похожую машину также создала английская фирма Agmet. В них, в отличие от использовавшихся в России и странах СНГ аналогов, поддерживается постоянный в единицу времени расход раствора. При этом норма его внесения на 1 га существенно изменяется при каждом переключении передачи, изменении частоты вращения двигателя или буксовании колес, что позволяет экономить до 20 % агрохимикатов. Несомненно, это обеспечивает не только экономический, но и соответствующий экологический эффект.

Следует отметить, что и в бывшем социалистическом содружестве, в том числе в Советском Союзе, также проводились интенсивные исследования по внедрению электронных средств в сельское хозяйство. Так, еще в 1980 г. по инициативе Болгарии, которая стала координатором работ в этом направлении, страны Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) объединили свои усилия по электронизации сельскохозяйственного производства. Однако в связи с распадом социалистического лагеря эти работы не получили должного развития.

Достаточно сложно разрабатывались машины для точного высева семян зерновых колосовых культур. Опытные образцы таких сеялок были впервые продемонстрированы на международной выставке в Мюнхене (Германия) в 1982 г. Спустя три года появилась первая серийная машина с электронным регулятором высева от фирмы Blanchot и сразу же была отмечена на парижской выставке SIMA-1985.

Следующим этапом развития сеялок для точного земледелия было создание компанией Rider (ФРГ) сеялки Saxonia, которая одновременно обеспечивала не только строго определенное расстояние между семенами в рядке, но и заданную глубину их заделки.

В 1986 г. на основании плодотворного сотрудничества производителей сельскохозяйственной техники было принято решение, что более рационально размещение многоканального микропроцессора на тракторе, а на сельхозмашинах необходимо монтировать лишь унифицированные датчики. Впервые, на тракторе марки Case, начали устанавливать микропроцессор с возможностью подключения к нему датчиков и других автоматических исполнительных механизмов: регулирования глубины обработки почвообрабатывающих машин компании Landsberg; оптимизации работы опрыскивателей компании Holder; внесения минеральных удобрений машиной компании Rotina; сеялок Saxonia и ряда других.

В настоящее время немецкая компания «Amazone-Werke H. Dreyer GmbH & Co. KG» обобщает все свои понятия и технологические решения, связанные с электроникой под ключевым словом «IT-Farming» (хозяйствование на основе информационных технологий»).

Ядром концепции является бортовой компьютер «AMATRON+», как универсальный обслуживающий терминал, служащий для оптимизации обслуживания, управления количеством, контроля и хранению данных при использовании сеялок, опрыскивателей и разбрасывателей удобрения компании «Amazone». При этом, используя строго определенные и открытые интерфейсы «AMATRON+», позволяет обмениваться данными с другими технологиями «IT-Farming», в том числе для оптимального использования управленческих и регулировочных возможностей машин, а также осуществления менеджмента получаемых данных (рис. 1).

Рис. 1. Концепция «IT-Farming» от компании «Amazone» (рис. с сайта http://www.amazone.ru (http://www.amazone.ru/))

В процессе работы микропроцессор, установленный на тракторе, контролирует и регулирует не только параметры двигателя и удельный расход топлива, но и технологические параметры агрегата, такие как фактическая рабочая скорость и объем выполненных работ.

Известная английская фирма KRM предложила кардинальное решение данной задачи – оценивать содержание азота, фосфора и калия в почве путем анализа фотоснимков полей, полученных в инфракрасных лучах на специальной пленке методами аэро– или космической съемки с построением картограммы поля, а привязку координат агрегата осуществлять с помощью систем GPS.

В 1994 г. на выставке Smithfield Farm Tech фирма KRM выставила первый экспериментальный образец двухдискового центробежного агрегата для дифференцированного внесения одного вида минеральных удобрений. Для регулирования дозы вносимых удобрений она использовала электронный прибор Calibrator 2002, отслеживающей через GPS показатели картограммы плодородия поля на специальном компьютере. В 1995 г. немецкая фирма Amazone также начала серийный выпуск аналогичных центробежных машин марки ZA-Max, но из-за высокой стоимости электронного оборудования (до 50 % цены машины) они не получили на тот момент широкого распространения.

Значительно упрощал агрохимический анализ почвы созданный другой английской фирмой Challeng Agriculture оптический прибор, удостоенный в 1994 г. Золотой медали парижской агротехнической выставки. Содержание в почве азота, фосфора, калия и других элементов он определяет путем сравнительной оценки двух точек отраженного света выбранной полосы спектра. Прибор был способен обрабатывать более 30 параметров и регистрировать до 50 значений. Спустя четыре года аналогичный прибор создали китайские специалисты.

Одной из важных задач является разработка новых способов и средств для упрощения и снижения стоимости агрохимического анализа почвы, в том числе через оценку урожайности выращенной культуры на отдельных участках поля. В этих целях зерноуборочный комбайн оснащают электронным датчиком, который определяет объем или вес подаваемого в бункер зерна, покоординатно записывает его в бортовой компьютер и распечатывает картограмму урожайности. Данная картограмма урожайности является основанием для относительной оценки текущего плодородия конкретной зоны поля и служит обоснованием необходимости в дифференцированном применении удобрения или определении аномальных зон и взятии проб почвы для последующего агрохимического анализа лишь на этих участках.

В целях объединения усилий и интенсификации работ по созданию и внедрению в агробизнесе различных электронных систем в 1992 году (спустя 12 лет после решений стран Совета экономической взаимопомощи (СЭВ)) страны Европейского сообщества (ЕС) приняли собственный план, предусматривающий ускоренное финансирование из бюджета Евросоюза перспективных направлений автоматизации и компьютеризации сельскохозяйственной техники. Затем к этой работе присоединились и бывшие страны СЭВ – Венгрия, Чехия, Словения, а также независимая Эстония. В настоящее время по разработке качественно новых, высокоточных и высокопроизводительных сельхозмашин, оснащенных средствами электронной автоматизации, страны ЕС, особенно Великобритания и Германия, значительно опережают США и Канаду.

Параллельно велись работы по созданию специальных и адаптации имеющихся систем для определения координат сельскохозяйственной техники, а также автоматического управления самоходной техникой с использованием навигационного оборудования.

В Германии была разработана радиосистема, в которую вошли компьютеризированная базовая радиостанция с приемником, размещаемая в диспетчерском центре (офисе) фирмы, и приемопередающие аппаратные устройства, устанавливаемые на агрегатах в поле. Такая система в режиме реального времени обеспечивала поиск, определение координат с точностью ± 10 м и слежение за 200-ми агрегатами, работающими в радиусе до 9 миль от стационарной радиостанции.

В свое время американская компания Massey Ferguson, входящая в корпорацию AGCO, для этих целей одной из первых разместила на своих агрегатах специальные радиоприемники, работающие через глобальную спутниковую сеть GPS. Система уже тогда с приемлемой точностью определяла географические координаты агрегата, но на тот период времени она оказалась достаточно сложной и дорогостоящей.

Развитие систем связи и снижение стоимости электронных приборов способствовало развитию в настоящее время данного направления использования различных навигационных систем для применения в технологиях точного земледелия. Например, в машинах для внесения удобрений центробежного типа (разбрасывателей) добились стабильности внесения удобрений на 1 га независимо от скорости движения агрегата. При этом частота вращения рассеивающих дисков и фактическая доза удобрений, вносимых на 1 га, постоянно указывается на мониторе, а при необходимости, тракторист имеет возможность корректировки дозы непосредственно из кабины трактора. Внедрение аналогичных электронных устройств позволило снизить неравномерность внесения удобрений до показателей не более 15 %.

В настоящее время значительных успехов в электронизации сельскохозяйственной техники добились компании Amazone, AGCO, Bargam, CNH, Claas и другие.

Системы параллельного вождения завоевали особо распространены в Австралии и США. Использование навигационных систем, позволяет фермерам каждый год практически безошибочно находить технологическую колею. Приветствуют систему параллельного вождения и фермеры Западной Европы, где конфигурация полей очень не проста (рис. 2).

Рис. 2. Конфигурация полей, обработанная с помощью навигационных систем параллельного вождения (рисунок с сайта http://www.geomir.ru/ (http://www.geomir.ru/))

Целесообразность и эффективность применения систем параллельного вождения оценивалась в процессе полевых испытаний, проведенных в 2003 г. Техническим университетом города Хохенхайм (ФРГ) на ряде немецких агропредприятий. В результате было установлено, что при средней стоимости комплекта навигационного оборудования для параллельного вождения около 8…10 тыс. евро система, которая применялась, например, при опрыскивании полей общей площадью 1000 га, окупилась практически за один сезон использования.