Физико-технические и аппаратно-программные средства ресурсосберегающего прецизионного производства растениеводческой продукции

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

УДК 631.171

В.П. ЯКУШЕВ, академик Россельхозакадемии ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии (ГНУАФИРоссельхозакадемии), г. Санкт Петербург

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПРЕЦИЗИОННОГО ПРОИЗВОДСТВА РАСТЕНИЕВОДЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

«Недалеко то время, когда решающую роль в управлении сложнейшей отраслью человеческой деятельности будет играть электронный агроном, способный учесть множественность сложнейших зависимостей в сельском хозяйстве и предложить единственно правильное решение по оперативному управлению сельскохозяйственным предприятием».

А.Ф. Иоффе, 1955 г., Москва, Кремлевский дворец, Всесоюзное совещание агрономов, зоотехников и биологов

Изложено состояние и перспективы использования в технологиях ресурсосберегающего земледелия современных приборов, мобильных комплексов и аппаратно-программных средств, обеспечивающих сельхозтоваропроизводителя полным спектром информации о состоянии полей. Рассмотрены различные приемы дифференцированного управления продукционным процессом сельскохозяйственных посевов с учетом биологических и сортовых особенностей культуры, агрохимического состояния полей, микроклиматических особенностей.

Ключевые слова: информационные технологии, ресурсосберегающие технологии, точное земледелие, оперативный контроль

192

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

__________ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2013. Вып. 84._________

V.P. YAKUSHEV, Full Member of the Russian Academy of Agricultural Sciences

Agrophysical Research Institute of the Russian Academy of Agricultural Sciences, Saint Petersburg

PHYSICAL, TECHNICAL, SOFTWARE AND HARDWARE TOOLS FOR RESOURCE SAVING PRECISION CROPS CULTIVATION

The paper describes the state-of-the-art and prospective application of modern devices, mobile sets, software and hardware tools in the practices of resource saving crop cultivation, which would provide the farmers with complete and exact information on the field conditions. Various techniques of differentiated sowing control with due account for biological and varietal features of farm crops, agrochemical condition of fields, and microclimate pattern are considered.

Key words: information technology, resource saving technology, precision farming, in-process control

Одним из важнейших направлений деятельности Агрофизического института, начало которому было положено еще 80 лет назад А.Ф. Иоффе, является обеспечение сельского хозяйства современными техническими разработками и программными средствами, опирающимися на последние достижения в области физико-математической, технической, агрохимической и биологической науки. Эти достижения легли в основу современных ресурсосберегающих, высокоинтенсивных и высокопродуктивных технологий, способных обеспечить всю растениеводческую отрасль АПК качественной продукцией, снизив затраты на её производство, уменьшив экологические риски, при этом не снижая естественное плодородие почв. Одной из таких технологий, реализуемых в Агрофизическом институте, является точное земледелие. Это направление современной аграрной науки занимается разработкой стратегии и тактики технического и информационного обеспечения систем земледелия. Оно включает в себя новые методы, приборы, мобильные комплексы и аппаратно-программные средства, выработки и реализации технологических приемов дифференцированного управления продукционным процессом сельскохозяйственных посевов с учетом биологических специфик культур и сортов, локальных условий почвенного питания растений и микроклиматических особенностей территории.

193

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Разработка и реализация такой технологии невозможна без создания четкой концепции и тактики применения информационных технологий в сельском хозяйстве. В технологии ресурсосберегающего земледелия для решения широкого спектра задач используются современные приборы, мобильные комплексы, аппаратно-программные средства способные обеспечить сельхозтоваропроизводителя полным спектром информации о состояние полей. После получения данной информации, разрабатывают технологии с различными приемами дифференцированного управления продукционным процессом сельскохозяйственных посевов, учитывая биологические и сортовые особенности культур, агрохимическое состояние полей, микроклиматические особенности.

В современных условиях сбор информации о состоянии полей необходимо проводить оперативно, используя геоинформационные системы с точной координатной привязкой, как к обследуемому полю, так и непосредственно к точкам отбора, для получения прецизионных данных агрохимического обследования. Для этих целей в Агрофизическом институте уже не первый год используется автоматизированный комплекс отбора проб, который хорошо зарекомендовал себя на полях Меньковской опытной станции АФИ и в сельскохозяйственных предприятиях Ленинградской области Комплекс представляет собой автомобиль «Нива» агрегатированный с автоматическим пробоотборником. С его помощью оперативно, и с точной привязкой отбираются образцы почвы для определения ряда важнейших агрохимических показателей (рН, содержание органического вещества, подвижного фосфора, обменного калия и др.).

После получения данных из лаборатории с помощью программных комплексов создаются электронные карты полей по каждому агрохимическому показателю. Создание данных карт необходимо для определения потребности каждого отдельного участка поля в удобрениях и мелиорантах. Используя данные карты, аппаратнопрограммный комплекс и современную сельскохозяйственную технику удобрения вносят дифференцированно, что приводит к сбалансированности по содержанию элементов минерального питания растений, за счет чего достигается положительный экономический эффект, а также снижается экологическая нагрузка на агроэкосистему.

194

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2013. Вып. 84.

Однако, как известно, не только точным внесением удобрений достигается положительный эффект при возделывании различных сельскохозяйственных культур. Одним из важнейших факторов, обеспечивающих комфортное состояние посевов, являются физические параметры почвенного покрова. В связи с этим оперативный контроль данных параметров стал важнейшей задачей ученых Агрофизического института. Для их решения был разработан и уже прошёл испытания мобильный комплекс по измерению физических параметров пахотного слоя почвы. Комплекс обеспечивает непрерывное измерение и определение в движении следующих характеристик:

• диэлектрическая проницаемость;

• электропроводность;

• температура;

• сопротивление (давление) горизонтальной пенетрации;

• скорость движения мобильного средства.

Наряду с этим при использовании специальных градуировок и моделей дополнительно могут быть получены следующие характеристики:

• объемная влажность;

• электропроводность почвенного раствора («солевая активность» почвы);

• динамика трансформации элементов минерального питания;

• плотность сложения и динамика уплотнения-разуплотнения.

Агрофизический институт разработал методы и средства двухкомпонентной диэлькометрии, обеспечивающей измерение действительного компонента комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) материала, характеризующего способность вещества поляризоваться в электрическом поле, и мнимого компонента (коэффициент диэлектрических потерь), характеризующего тепловые потери диэлектрика в процессе поляризации и выражаемого также через электропроводность материала (17.12.2008 года получен патент РФ, обладающий мировой новизной). Это позволяет значительно повысить эффективность использования диэлькометрии в технологиях сельскохозяйственного производства.

195

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства.

Современный контроль состояния посевов невозможен без использования дистанционных методов. В Агрофизическом институте разрабатываются и внедряются технологии оперативного аэрокосмического мониторинга состояния посевов. На практике реализуются оба варианта получения данных: с использованием космических снимков и с применением аэрофотосъемки. Для этих целей используются беспилотные летательные аппараты, разработанные в АФИ, оборудованные специальными оптическими приборами, способными вести съёмку в разных диапазонах спектра, а так же GPS оборудованием, специальным программным обеспечением.

Второй подход имеет важные преимущества.

1. Съемка может быть выполнена в любое время, вне зависимости от облачности.

2. Данные доступны через 10 минут после съемки.

3. Площадь, покрываемая снимками, может быть любой формы и задается пользователем индивидуально в зависимости от задач.

4. Разрешение снимков составляет 10-20 см (в 4 раза выше, чем самый лучший снимок с космического аппарата) и зависит только от высоты полета. Может быть увеличено до 5 см при полете на низкой высоте.

5. При повторной съемке одной и той же территории снимок может быть получен уже через 5 минут после приземления. Космические системы выполняют съемку в среднем через 5 дней. Применение аэрофотосъемки позволило реализовать в АФИ целый ряд работ по дистанционному мониторингу. Важнейшими из них является мониторинг состояния посевов и мониторинг состояния мелиоративных систем. Мониторинг состояния посевов позволяет оценить как состояние посевов в целом, так и выделить локальные участки неоднородности. Применение метода тестовых площадок позволило использовать данные дистанционной оценки посевов для дифференцированного применения азотных подкормок с учетом потребности растений в пределах той или иной технологической зоны (рис.).

196

ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов.

ГНУ СЗНИИМЭСХРоссельхозакадемии. 2013. Вып. 84.

Зависимость между цветом растительного покрова на тестовых площадках CELab= aL+Pia+P2b и дозой азотных удобрений (калибровочная кривая):

верхняя и нижняя штриховые линии - соответствие обеспеченности растений азотом на выделенных участках поля

Для данной кривой: а=0,6; Р1=0,05; Р2=0,35

Такой подход в значительной степени позволил реализовать биологические возможности растений, приводя к значительному увеличению урожайности культур и улучшению качественных характеристик получаемой продукции.

197