Развитие цифровых технологий и получение широкого доступа к использованию систем глобального позиционирования и географических информационных систем (ГИС) на базе космических, авиационных и наземных данных привели к появлению новой концепции, получившей название «точное земледелие» или «координатное земледелие».
В системе точного земледелия (ТЗ) каждый отдельный георефе- ренцированный контур поля связан со слоями характеристик рельефа, почвенного покрова, плодородия, растительного состава. При этом точность привязки определяется точностью использованной для геореференцирования (координатной привязки) системы ГНСС [71].
Основу точного земледелия составляют цифровые технологии, специализированная сельскохозяйственная техника и оборудование, программное обеспечение, позволяющие определять состояние и динамику развития растительного покрова земельных участков, оценивать плодородие почвы, на основе которого создаются электронные карты для дифференцированного полива, внесения удобрений и средств защиты растений, а также измерять вегетационные индексы для оценки и прогнозирования урожайности, разрабатывать меры по повышению эффективности использования земельных ресурсов [72, 73-75].
Важной составляющей технологии точного земледелия являются своевременное обнаружение и локализация участков угнетенного состояния растительности в пределах поля, что может быть вызвано разными факторами: поражением растений вредителями, засильем сорняков и т. д.
Для успешного применения в ТЗ системы дистанционного зондирования должны отвечать следующим условиям [76]:
• возможность осуществления сбора данных, их коррекции и первичной обработки в течение 24-48 ч;
• пространственное разрешение порядка 5 м для спектрозональной съемки;
• спектральное разрешение порядка 10-20 нм для повышения точности определения биофизических параметров растительного покрова;
• высокое временное разрешение, обеспечивающее по крайней мере 5-6 сеансов получения информации в течение вегетационного периода;
• возможность предоставления результатов тематической интерпретации данных в доступных пользователю форматах;
• невысокая (доступная) стоимость данных.
Необходимо отметить, что качество получаемых снимков с использованием космических аппаратов (разрешение) в ряде случаев недостаточно для эффективного их использования при решении задач точного земледелия. Это обусловлено, в первую очередь, погодными условиями (облачность), негативным влиянием других атмосферных явлений. Кроме того, оперативность получения спутниковых снимков недостаточна для принятия своевременных решений. Поэтому перед учеными стоит задача совершенствования методов дистанционного зондирования с целью преодоления перечисленных недостатков.
Этим условиям в полной мере отвечают данные с космического аппарата Formosat-2 космического агентства Тайваня NSPO (National Space Organization), группировка из пяти мини-спутников RapidEye (Германия), спутники с оптико-электронными системами сверхвысокого разрешения (WorldView-1 и GeoEye-1), уникальные многофункциональные космические аппараты (ALOS), группировки спутников с радиолокаторами высокого и сверхвысокого разрешения (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, RADARSAT-2) [14, 76].
К ключевым элементам точного земледелия, которые находят практическое применение, относятся: глобальная система определения координат со спутников с непосредственным вводом информации в бортовой компьютер сельскохозяйственных машин; географические информационные системы; многослойные электронные карты, с помощью которых создается компьютерная модель хозяйства, позволяющая оперативно производить расчеты, формировать отчеты и задания, ставить виртуальные эксперименты для принятия оптимальных управленческих решений; автоматическое вождение сельскохозяйственных агрегатов на базе навигационных спутниковых систем, обеспечивающих точность технологических операций (посев, обработка, уборка) с учетом особенности рельефа и др.; оценка состояния почвы и растительного покрова каждого конкретного участка поля с использованием специального оборудования [77].
В технологии точного земледелия используются [72]:
• глобальная навигационная спутниковая система, позволяющая с помощью установленных на мобильное средство специальных GPS-приемников определять местоположение, скорость и расстояние до эксплуатируемой техники;
• географические информационные системы, предназначенные для решения научных и прикладных задач анализа данных наземной и космической съемки, инвентаризации и оценки окружающей среды и обеспечивающие сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно координированных данных;
• программное обеспечение для анализа собранной информации и принятия производственных решений;
• программное обеспечение для создания электронных карт полей путем наземных измерений или с помощью беспилотных летательных аппаратов, аэро- или космической съемки;
• уборочные агрегаты, оснащенные специальным оборудованием, предназначенным для определения урожайности на участках поля с обязательной географической привязкой полученных данных;
• технические и программные средства для составления технологических карт дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений.
Точное земледелие включает в себя множество составляющих, их условно можно разбить на три группы: первая - сбор информации о хозяйстве, поле, культуре, регионе; вторая - анализ информации и принятие решений; третья - выполнение решений, проведение агротехнологических операций.
Для сбора информации (первая группа) используются почвенные автоматические пробоотборники, оснащенные GPS-приемниками и бортовыми компьютерами; геоинформационные системы (ГИС) для составления пространственных тематически ориентированных электронных карт посевов; картограммы влагозапасов корнеобитаемого слоя почвы; карты урожайности культур, получаемые сразу после уборки; дистанционные методы зондирования, такие как аэрофотосъемка и спутниковые снимки.
Для анализа собранной информации и принятия производственных решений (вторая группа) используется ряд зарубежных и отечественных программных продуктов. Большинство из них - программы расчета доз удобрений с элементами геоинформационных систем, например Agro-Map, Агроменеджер, УрожайАгро, FieldRover II, Agro View и др. [72, 78].
Активно внедряются технологии ДЗЗ и в зарубежной практике. Так, по отзывам специалистов, подходы к точному земледелию, разрабатываемые компанией «Black Bridge», приносят пользу быстро развивающемуся рынку агрономического консультирования и планирования [79]. Консультанты получают лучший доступ к спутниковым снимкам, облачным решениям для хранения данных и вычислительной мощности, которые нужны для создания актуальных информационных продуктов. Информация, извлекаемая из космической съемки, позволяет фермерам принимать более взвешенные управленческие решения и оптимизировать использование своих ресурсов. Результатом являются меньшая себестоимость продукции, более высокая урожайность и увеличение прибыли. Использование материалов космической съемки высокого пространственного разрешения, получаемые со спутников RapidEye, дополняет традиционные методы сбора информации, предоставляя данные на больших территориях с меньшими финансовыми затратами.
Для повышения продуктивности сельского хозяйства подходы к точному земледелию компании «Black Bridge» широко используются и распространяются в мире вместе с программами мониторинга, работающими в Бразилии, Мексике, Великобритании и Австралии, и новыми программами, стартующими в России и Болгарии. По оценке Агрофизического НИИ Санкт-Петербурга, в странах Евросоюза технологии точного земледелия или отдельные их элементы применяют около 80% фермеров, в США - 60%. Значительные успехи имеются в сельском хозяйстве Бразилии, Дании, Японии, Аргентины [80].
Отечественные сельхозпроизводители также внедряют технологии точного земледелия и его элементы. Например, специалисты компании «Агроко» на полях Центрального Черноземья используют картирование, спутниковые технологии по определению NDVI- индекса для прогнозирования урожайности, системы спутникового мониторинга для контроля работы сельхозтехники [72].
Активно осваивает технологии точного земледелия агрофирма «Прогресс» (Краснодарский край), которая начала с освоения автопилотов на тракторах и опрыскивателях (точность до 2,5 см). В последние годы агрофирма внедрила дифференцированное внесение удобрений. ООО «Волгоградская АгроПромышленная компания» внедряет точное спутниковое позиционирование для параллельного вождения и контроля техники, сбор статистики по условиям работ на полях для анализа зон обработки по критериям скорости и времени, а также беспилотную съемку участков пашни для оценки вегетации. В числе преимуществ используемых предприятием технологий - контроль и наличие собранной статистики об условиях работ на полях, что в дальнейшем позволяет принимать решения по оптимизации: корректировать графики работ, оценивать эффективность работы сотрудников, снижать потери ГСМ [72].
Внедрение технологий точного земледелия в Меньковском филиале Агрофизического НИИ в Ленинградской области показал, что они позволяют увеличить урожайность пшеницы II класса до 60-70 ц/га, картофеля - до 600-650 ц/га. При этом экономия удобрений и средств защиты растений в среднем за пять лет составила порядка 35%. В других хозяйствах Ленинградской области, применяющих элементы технологий точного земледелия, также есть существенные результаты, например урожайность моркови повысилась на 21%, капусты на 28%. При этом значительно улучшилось качество продукции [72, 81].
Согласно данным статистических исследований НТЦ «Робо-ПРОБ» в России площадь пашни, обрабатываемой с использованием оборудования, оснащенного системами точного земледелия, ежегодно увеличивается на 3,5%, в то время как в мире этот показатель превышает 5% [80].
Разрабатываемая учеными Томского государственного университета (ТГУ) система базируется на современных информационных технологиях для решения фундаментальной задачи разработки высокопроизводительной информационной системы для раннего прогнозирования продуктивности сельскохозяйственных культур с использованием технологии больших данных и нейросетевого подхода, оперирует данными измерений, нормативно-правовыми справочниками, содержащими значения выбранных критериев для определенных сельскохозяйственных культур и производственных процессов. Результаты модельных расчетов накладываются на ландшафтные карты и картограммы специального назначения (карты растительности или карты агропроизводственной группировки, т.е. уже на этапе планирования деятельности сельхозпроизводитель обеспечивается надежным, доступным и удобным инструментарием для получения информации об основных факторах, от которых зависит конечный результат. Методика практико-ориентированного воздействия разрабатывается системой точного земледелия, которая представляет собой реализуемую систему управления землями сельскохозяйственного назначения, применения удобрений и систему защиты растений, основанную на негенерализованных результатах адаптированного почвенно-агрохимического обследования, данных дистанционного зондирования физиологического и фитосанитарного состояния посевов, а также актуальных агроклиматических показателях.
Разрабатываемая система способна обеспечить управление технологическими процессами с высокой экономической эффективностью - расходы на удобрения снижаются до 40%, на средства защиты растений - до 30, урожайность повышается до 50% [82].
В работе [83] на основе анализа существующих типовых подходов к оценке внутриполевой изменчивости обосновывается целесообразность поиска новых, более точных и недорогих методов решения задачи количественной оценки степени неоднородности указанных условий и определения границ их изменчивости на заданном сельскохозяйственном поле. В информационном обеспечении точного земледелия нет альтернативы технологиям дистанционного зондирования Земли. Предлагаемый новый метод обнаружения внутриполевой неоднородности основан на использовании оптических критериев (индексы отражения), характеризующих особенности спектральных показателей посева при воздействии различных стрессоров. В регулируемых условиях с помощью специального спектрометра получены конкретный перечень индексов отражения и набор количественных показателей по каждому критерию для оценки физиологического состояния пшеницы при оптимальных условиях и дефиците азота и воды. Полученные результаты открывают новые возможности для автоматизации процесса интерпретации гиперспектральных космических снимков с целью идентификации и выявления границ негативного воздействия стрессоров, сдерживающих рост и развитие посевов. Рассмотрена соответствующая алгоритмическая схема реализации предложенного метода.
Учитывая сложность использования вегетационных индексов для разработки рекомендаций по дифференцированной обработке полей, совершенствуются методы создания карт заданий, содержащих информацию о необходимости неоднородного воздействия на почвенный покров внутри поля. Используя технологию ретроспективного мониторинга, можно устранить недостатки работы с ДДЗ и получить наиболее адекватные карты-задания по сравнению с архивными почвенными и агрохимическими картами [84, 85].
С помощью метода ретроспективного мониторинга создана электронная карта устойчивой внутри- полевой неоднородности плодородия поля 7/3 ва- лидационного полигона КубНИИТиМ (рис. 10), на основе которой разработали цифровые карты-задания для закладки полевого опыта по дифференцированному внесению минеральных удобрений на озимой пшенице.
По результатам экспериментальных исследований, установлено следующее [85]:
• озимая пшеница по-разному отзывается на различные дозы удобрений по зонам карты устойчивой внутриполевой неоднородности плодородия почв, полученной анализом больших спутниковых данных;
• при увеличении общей дозы минеральных удобрений до 600 кг/га в зонах низкого и высокого плодородия карты устойчивой внутриполевой неоднородности прибавка урожайности составила порядка 15%, что свидетельствует о том, что карта устойчивой внутриполевой неоднородности может быть интерпретирована как карта отзывчивости озимой пшеницы на удобрения;
• на основе карты устойчивой внутриполевой неоднородности почвенного покрова можно увеличить эффективность применения азотных удобрений путем перераспределения имеющихся хозяйственных доз удобрений внутри поля в виде карт-заданий для техники, оборудованной системами точного земледелия.
Ведущее место в технологиях точного земледелия занимают сбор, обработка и хранение данных об урожайности и влажности зерна в процессе комбайновой уборки.
Оборудование для этих целей включает в себя различные датчики (оптический датчик объема зерна в бункере, датчики влажности зерна, поперечных и продольных отклонений и др.) Их применение дает возможность определять урожайность и влажность зерна с единицы площади с учетом местоположения комбайна и неровностей поля. Специальные ГИС-программы осуществляют не только обработку полученной информации и построение карт урожайности, но и способны осуществлять подготовку подробных отчетов о выполняемых на данном поле сельскохозяйственных работ. Эти отчеты необходимы специалистам сельскохозяйственных предприятий для оценки рентабельности использования конкретных сельскохозяйственных земель, выработки решений по повышению урожайности сельскохозяйственных культур, планированию и использованию земель в будущем [71, 86-90].
Таким образом, использование комплекса технических и программных средств для точного земледелия позволяет специалистам принимать обоснованные решения, приводит к экономии удобрений, средств защиты растений, топливно-смазочных материалов и в итоге - приводит к повышению эффективности использования земель СХН, снижению себестоимости продукции, росту производительности и повышению эффективности сельского хозяйства.
Источник: Буклагин Д.С., Мишуров Н.П., Балабанов В.И., Зейлигер А.М., Петухов Д.А. Цифровые технологии оценки, планирования и прогнозирования использования земель сельскохозяйственного назначения: аналит. обзор – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020. – 92 с., страница 44-51
