Важным источником, обеспечивающим оперативное получение информации о землях сельскохозяйственного назначения, являются данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). ДЗЗ представляют собой процесс получения информации без непосредственного контакта с изучаемым объектом. С помощью специальных приборов регистрируют отраженные и излучаемые земной поверхностью электромагнитные волны. Измеряя излучение сельскохозяйственного поля (в основном в оптическом или радиолокационном диапазонах), можно определить свойства почв и посевов. Дистанционные методы и средства, основанные на получении и обработке цифровых снимков, имеют важные преимущества: легкость архивирования с сохранением максимального количества данных для дальнейшего анализа; возможность учета, инвентаризации и классификации земель сельскохозяйственного назначения с построением специализированных планов и карт; обнаружение чрезвычайных ситуаций на полях, оценка потенциала продуктивности и риска потерь урожая; мониторинг мелиоративного состояния сельскохозяйственных полей [2-5]. ДЗЗ непосредственно связаны с работой с различными видами программного обеспечения, применением алгоритмов анализа и обработки данных.
Дистанционные методы включают в себя космическую съемку, аэрофотосъемку с пилотируемых аппаратов, аэрофото- и видеосъемку с беспилотных летательных аппаратов.
В последние годы для получения данных ДДЗ в сельском хозяйстве широко используют спутниковые снимки. Однако такой источник имеет недостатки: высокая стоимость; ограниченные возможности их получения в заданные сроки и с необходимой периодичностью; погрешности, вызванные погодными условиями, облачностью и дымкой.
Аэрофотосъемка с помощью самолётов или вертолетов требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции. Применение стандартных авиационных комплексов также нерентабельно при съемке малых по площади территорий. В этом случае экономические и временные затраты на организацию работ, приходящиеся на одну единицу отснятой площади, существенно превосходят аналогичные показатели при съемке больших площадей.
В связи с этим перспективной альтернативой является использование БПЛА, основные преимущества которых - рентабельность, возможность съемки с небольших высот и вблизи объектов, высокая разрешающая способность при простоте съемочной аппаратуры, оперативность получения снимков. Это обеспечивает оптимальное соотношение между качеством данных и их стоимостью. Обработка снимков с БПЛА производится в автоматизированных фотограмметрических системах. Исходными данными для них являются изображения, полученные в процессе аэрофотосъемки, координаты центров фотографирования и координаты опорных точек. Результаты обработки - ортофотопланы, облака точек, трехмерные и цифровые модели местности.
Применение в сельском хозяйстве аэрофотосъемки с БПЛА позволяет решать следующие задачи: уточнение контуров полей и посевных площадей; выделение локальных участков угнетенной растительности на сельскохозяйственном поле; определение участков полей, подверженных водной эрозии; выявление агротехнических погрешностей; уточнение карт микрорельефа сельскохозяйственных угодий; техническое сопровождение процесса реализации технологических решений в точном земледелии; мониторинг состояния осушительных мелиоративных систем.
Уточнение границ сельскохозяйственных земель способствует более точному рассчету затрат на выполнение агротехнических операций и расходов на химические средства защиты и удобрения. Раннее определение очагов угнетенности по аэрофотоснимкам позволяет произвести корректировку агротехнологий для сохранения урожая либо произвести адресную обработку посевов.
Проведение аэрофотосъемки в ранневесенний период нацелено на определение эрозионных участков поля и корректировку агротехнологии для предотвращения деградации почвенного слоя (рис. 3) [4].
Рис. 3 Эрозионные участки поля
Своевременно проведенный контроль выполнения агротехнических операций с помощью аэрофотосъемки направлен на избежание потерь потенциально возможной урожайности. На рис. 4 приведен фрагмент аэрофотоснимка посева зерновых. Потери урожая от неравномерности внесения агрохимикатов могут достигать 25%. Вовремя полученная информация и принятое на её основе оперативное решение помогут избежать потерь урожая и использовать весь потенциал поля и возделываемой культуры.
Рис. 4. Пример агротехнологических погрешностей
На основе данных аэрофотосъемки возможно построение высокоточной цифровой модели рельефа и моделирования движения водных потоков по поверхности поля (рис. 5). Данная информация способствует оценке объемов возможного выноса питательных веществ с поверхности при различных погодных условиях и расчёту объема работ по профилированию поля.
Рис. 5. Моделирование движения водных потоков
Аэрофотосъемка с БПЛА играет важную роль при возделывании культур в системе точного земледелия. Так, при проведении технологической операции «Подкормка» съемка с использованием мультиспектральной камеры позволяет оценить потребность зерновых культур в азотных удобрениях и впоследствии произвести их адресное внесение.
Учеными Агрофизического института на этапе внесения основного удобрения предложена закладка тестовых площадок с различными известными дозами азотного питания (рис. 6.) [6]. При проведении калибровки аэрофотоснимков с БПЛА эти площадки используются как эталонные в алгоритмах выделения однородных зон, что позволяет отказаться от проведения дополнительных агрохимических анализов и сэкономить время на выработку управленческих решений.
Рис. 6. Тестовые площадки с различными известными дозами азотного питания
Проведение дифференцированной подкормки на посевах способствует экономии минеральных удобрений до 30%, повышению урожайности культур до 16% и улучшению качества зерна.
Аэрофотосъемка территорий хозяйств позволяет определить состояние мелиорируемых земель и мелиоративных систем. Так, на рис. 7 показан фрагмент мелиоративной системы, которая подверглась капитальному ремонту за год до проведения съемки. На самом поле мелиоративная система в хорошем состоянии, но водоотведения в нужном объеме не происходит, поэтому наблюдается застой воды в канале из-за неработающего должным образом водоприемника. При обильных осадках потери урожайности на данном поле могут достигнуть 50%, а вовремя принятые меры позволят этого избежать.
Рис. 7. Фрагмент неработающего водоприемника, в котором наблюдается застой воды
Перспективно применение аэрофотосъемки с БПЛА для оценки состояния дренажных систем сельскохозяйственных полей. Она позволяет получить за один день раскладку территории среднего хозяйства. В аэрофотосъемку входят следующие компоненты: ортофотоплан, привязанный к глобальной системе позиционирования; высокоточная цифровая модель рельефа местности; модель водных потоков; расчет основных вегетационных индексов. Ориентация на глобальную систему позиционирования дает возможность: определять локализацию повреждений дренажных систем и существенно экономить ресурсы; получать реальную картину состояния посевов; принимать обоснованные управленческие решения; оценивать состояние гидротехнических сооружений и проводить противопаводковые мероприятия; рассматривать техническое состояние мелиорированных земель.
Таким образом, применение БПЛА при дистанционном зондировании земли позволяет решать широкий спектр задач для сельского хозяйства: уточнение контуров полей и посевных площадей; выделение локальных участков угнетенной растительности и подверженных водной эрозии; выявление агротехнических погрешностей; уточнение карт микрорельефа сельскохозяйственных угодий; мониторинг состояния осушительных мелиоративных систем.
Литература
2. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации в 2018 году. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 340 с.
3. Щеголихина Т.А., Гольтяпин В.Я. Современные технологии и оборудование для систем точного земледелия: науч. аналит. обзор. – ФГБНУ «Росинформагротех», 2014. – 80 с.
4. Балабанов В.И., Федоренко В.Ф., Гольтяпин В.Я. и др. Технологии, техника и оборудование для координатного (точного) земледелия: учеб. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2016. – 240 с.
5. Федоренко В.Ф., Мишуров Н.П., Буклагин Д.С., Гольтяпин В.Я., Голубев И.Г. Цифровое сельское хозяйство: состояние и перспективы развития: науч. изд. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2019. – 316 с.
6. Якушев В.П., Якушев В.В., Блохина С.Ю. Научные основы построения интеллектуальных систем для точного земледелия // Вестн. защиты растений. – 2020. – № 103(1). – С. 25-36.
Источник: Гольтяпин В.Я., Мишуров Н.П., Федоренко В.Ф., Голубев И.Г., Балабанов В.И., Петухов Д.А. Цифровые технологии для обследования состояния земель сельскохозяйственного назначения беспилотными летательными аппаратами: аналит. обзор. – М: ФГБНУ “Росинформагротех”, 2020. – С. 12-17
