Перспективы экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов

ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2017. Вып. 92._

УДК 631.95; 629.735

ПЕРСПЕКТИВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В.Ф. ВТОРЫЙ, д-р техн. наук, СВ. ВТОРЫЙ, канд. техн. наук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия

Современное производство сельскохозяйственной продукции должно быть не только высокоэффективным, но и обеспечивать рациональное, экологически сбалансированное природопользование. Основой этого является систематическая и объективная информация по соблюдению регламентированных показателей характеризующих состояние и уровень функционирования агросистемы, использования ресурсов, степень утилизации технологических отходов. Система экологического мониторинга на основе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) имеет стационарную агроэкологическую лабораторию, связанную радиоканалами с мобильным пунктом управления и с беспилотным летательным аппаратом вертикального взлета и посадки, оснащенным источником электропитания, системой управления полетом, как в автоматическом, так и в ручном режимах, устройством видео-обзора зоны полета и сканирования поверхности земли, системой позиционирования на местности с использованием GPS - ГЛОНАСС, датчиками для экспресс-анализа состояния воздушной среды и зондами для забора твердых, жидких и газообразных проб, устройством сбора, хранения и передачи информации. Работает система в режимах полного или локального мониторинга, при которых БПЛА в соответствии с программой облетает обследуемую территорию. По заданной программе производится контроль параметров среды и забор проб путем зависания, приземления или приводнения с доставкой их на пункт управления для углубленного анализа. Аппараты мини и легкого класса способны нести необходимый комплект оборудования массой до 5 кг и обладают радиусом действия до 30-50 км, что позволяет контролировать одному аппарату с периодическим облетом территорию площадью до 3000 кв. км. Беспилотный летательный аппарат является универсальным и очень эффективным средством для получения данных состояния атмосферы, почвы, воды, в том числе, и в труднодоступных участках.

Ключевые слова, сельскохозяйственный объект; экологический мониторинг; беспилотный летательный аппарат.

PROSPECTS FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF AGRICULTURAL FACILITIES USING UNMANNED AERIAL VEHICLES

V.F.VTORYI, DSc

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production» (IEEP), Saint Petersburg

Modern agricultural production needs to be not only highly effective, but also it has to ensure rational and environmentally sustainable use of natural resources. The basis of this is systematic and objective information concerning the compliance with regulated indicators, which characterise the agro-system's state and performance, the use of resources, and the degree of technological waste utilisation. The system of environmental monitoring based on unmanned aerial vehicles (UAV) has a stationary agroecological laboratory connected by radio channels with a mobile control point and an unmanned aerial

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводстваи животноводства_

vehicle of vertical take-off and landing, which is equipped with an electrical power supply unit, flight control system, both in automatic and manual modes, the flight zone overview video device and ground surface scanning facility, GPS-GLONASS-based ground positioning system, sensors for express analysis of the air conditions and probes for sampling of solid, liquid and gaseous samples, and a device for information collecting, storing and transmitting. The system operates in full or local monitoring modes, in which the UAV in accordance with the programme, flies around the surveyed territory. According to the set programme, environmental parameters are monitored and samples are taken by hovering, landing or splash down and further delivered to the control point for in-depth analysis. Mini and light class devices are able to carry the necessary set of equipment with a mass of up to 5 kg and have a range of up to 30-50 km, which allows one device to monitor the area of up to 3000 square kilometres with a random over-flight. An unmanned aerial vehicle is a universal and very effective tool for obtaining data on the state of the atmosphere, soil, and water, including in hard-to-reach areas.

Key words, agricultural facility; environmental monitoring; unmanned aerial vehicle. ВВЕДЕНИЕ

Сельскохозяйственное производство является серьезным источником загрязнения окружающей среды в т.ч. животноводство. В процессе своей жизнедеятельности крупный рогатый скот производит отходы, которые при определенных условиях могут наносить существенный вред природе. Современные технологии производства животноводческой продукции позволяют значительно снизить риски загрязнения окружающей среды, но необходимо наиболее рационально в зависимости от местных условий адаптировать эти технологии. Поэтому существующая острая проблема снижения загрязнения окружающей среды отходами животноводства заставляет искать пути более рациональной утилизации и эффективного использования навоза и стоков ферм и комплексов [1, 2].

Для обеспечения необходимого уровня безопасности и разработки комплекса природоохранных мероприятий, необходимо создание надежной системы экологического мониторинга на базе БПЛА. Она позволит наблюдать, фиксировать и делать прогноз экологического состояния сельскохозяйственных объектов, с целью производства безопасных продуктов питания и снижения вредного воздействия этих объектов на окружающую среду.

В ближайшем будущем основными потребителями беспилотной продукции в мире станут фермеры, к такому выводу пришли исследователи американской Международной некоммерческой организации «Ассоциация беспилотных транспортных систем» (AUVSI), занимающейся продвижением и поддержкой беспилотных систем и индустрии робототехники. При этом, подчеркивается, что у России есть все шансы занять в этой области лидирующие позиции. Нужно заметить, что данное направление является новым для нас и до сегодняшнего дня беспилотные летательные аппараты находили применение в МЧС, МВД и министерстве обороны, но в последние годы растет интерес к БПЛА сельскохозяйственного назначения [3]. По данным той же организации (AUVSI), в отчете под названием «Экономическое влияние интеграции беспилотных систем в Соединенных Штатах («The Economic Impact of Unmanned Systems Integration in the United States») сообщается о том, что применения БПЛА в сельском хозяйстве будут преобладать над всем остальными применениями и к 2025 году около 80% рынка беспилотных машин (дронов) будет занято в сельском хозяйстве США [4].

Применение БПЛА в сельском хозяйстве имеет огромный потенциал и с каждым годом интерес к их использованию растет. За последние 5-6 лет по развитию этой отрасли машиностроения сделано во много раз больше, чем за все предыдущие годы. Это позволяет считать эту отрасль бурно развивающейся с большими перспективами по разнообразию конструкторских решений. При наличии государственной поддержки Россия может занять от 15-20% (базовый сценарий) до 20-25% (оптимистический сценарий) мирового рынка в сегменте «Сельское хозяйство» к 2035 году. В денежном выражении объем рынка по оказанию услуг на основе беспилотных систем в данном сегменте, занимаемый российскими компаниями, может достичь к 2035 году 240 млрд. рублей в год, а продажа беспилотных систем составит дополнительные 27 млрд. рублей в год [4].

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Беспилотные летательные аппараты производят и широко применяют в таких странах, как США, Италия, Китай Япония, Южная Корея, Бразилия Германия, Франция, Израиль, Австралия, Швеция, Великобритания, Новая Зеландия и в других. Лидерами в производстве БПЛА на данный момент считаются - США, Япония, Китай, Германия и Франция, но большую часть произведенных летательных аппаратов предназначена для военного назначения. Отставание России в этом направлении обусловлено недостаточной элементной базой, так как для разработки отечественных летательных аппаратов используются зарубежные микросхемы и элементы, которые в стоимости устройства могут составлять до 70%.

Согласно российской классификации, которая ориентирована преимущественно пока только на военное назначение аппаратов, БПЛА можно систематизировать следующим образом:

- Микро- и мини-БПЛА ближнего радиуса действия - взлётная масса до 5 кг, дальность действия до 25-40 км;

- Лёгкие БПЛА малого радиуса действия - взлётная масса 5- 50 кг, дальность действия 10-70 км;

- Лёгкие БПЛА среднего радиуса действия - взлётная масса 50-100 кг, дальность действия 70-150 (250) км;

- Средние БПЛА, Среднетяжелые БПЛА и Тяжёлые БПЛА - взлётная масса от 100 кг и дальностью действия от 70 км [5].

В настоящее время применение БПЛА в сельском хозяйстве помогает решать следующие задачи:

- создание и обновление в электронном виде карт и планов обрабатываемых земель;

- учет сельскохозяйственных угодий;

- планирование посевных работ по производственным участкам;

- контроль объема и качества проведения полевых работ;

- ведение оперативного мониторинга состояния посевных культур;

- оценка всхожести сельскохозяйственных культур;

- прогноз урожайности сельскохозяйственных культур;

- контроль качества сбора урожая, в т.ч заготовки кормов для скота;

В сфере животноводства:

- оценка готовности пастбищ;

- слежение за стадом на пастбищах и учет животных;

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводстваи животноводства_

- выявление болезней животных;

- охрана скота и другое.

Для экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов в соответствии с поставленными задачами наиболее подходящими по своим характеристикам являются аппараты мини и легкого класса. Они способны нести необходимый комплект оборудования массой до 5 кг и обладают достаточным радиусом действия до 30-50 км, что позволяет контролировать одному аппарату с периодическим облетом территорию площадью до 3000 кв.км.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Важным перспективным направлением применения БПЛА является мониторинг всех технологических процессов сельскохозяйственного производства при контроле уровней загрязнения окружающей среды его отходами, что обеспечит эффективное функционирование агросистемы хозяйства при рациональном использовании природных ресурсов. Отечественный и зарубежный опыт позволяет уже сегодня разрабатывать данные системы, для этих целей наиболее приемлемы БПЛА класса «микро» и «мини», обладающие необходимой грузоподъемностью для установки необходимой аппаратуры и значительно меньшей стоимостью по сравнению с более тяжелыми аппаратами.

Интерес в использовании БПЛА для экологического мониторинга обусловлен следующими причинами:

-привлекательностью цены и конкурентоспособности, по сравнению с использованием спутниковых технологий для дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), но при этом не являясь заменой, а являясь дополнением в качестве локальной системы;

- важное свойство БПЛА, его возможность запрограммировать на полет по заданному маршруту, и выполнять задание даже в сложных погодных условиях;

-с точки зрения эксплуатации, это возможность модернизации и повышения эффективности, а так же высокая ремонтопригодность в процессе использования;

-отсутствие необходимости в аэродроме и использование мобильных наземных комплексов управления и обслуживания.

Перспективным направлением является контроль загрязнений воздуха, почвы, водных источников продуктами жизнедеятельности животных, нерационального использования удобрений и техники [6, 7].

Для этих целей наиболее целесообразным является применение, в первую очередь БПЛА вертолетного (мультикоптеры) типа. Чаще всего мультикоптеры имеют четыре (квадрокоптеры) или шесть (гексакоптеры) вращающихся лопастей. Конструкция этих аппаратов позволяет им подниматься вертикально вверх, что обеспечивает получение вертикальных профилей метеорологических величин — во время подъема и во время снижения. Для решения задач экологического мониторинга подойдут БПЛА со следующими техническими характеристиками: высота полета до 200 метров; дальность полета до 30 км; взлетная масса до 20 кг; грузоподъемность до 5 кг.

Количество измеряемых величин зависит от числа установленных датчиков, которые, в свою очередь, ограничиваются грузоподъемностью БПЛА. К наиболее распространенным измеряемым параметрам относятся температура и влажность воздуха, почвы, воды. Среди перспективных измерений — отборы проб воздуха (концентрации малых газовых

составляющих, например парниковых газов), почвы, воды, накопительные фильтры для пыли и другое.

Принципиально система агроэкологического мониторинга может состоять (рис. 1): из стационарной агроэкологической лаборатории, связанной радиоканалами с беспилотным летательным аппаратом вертикального взлета и посадки, мобильным пунктом управления, спутником системы позиционирования типа GPS или ГЛОНАСС, и объекта мониторинга, к примеру, животноводческим комплексом.

Стационарная лаборатория Мобильный пункт управления Объект мониторинга Рис. 1. Связь между элементами системы агроэкологического мониторинга

Если объектом является прилегающая территория к комплексу, то на БПЛА (рис. 2) дополнительно устанавливаются зонды 5, 6, 7 для забора жидких, твердых и газообразных проб среды, при этом БПЛА оборудован поплавками 8 на его нижней поверхности для возможности посадки его на водную или заболоченную поверхность.

3 5 8 6

Рис. 2. Схема системы агроэкологического мониторинга: 1- радиоканал связи, 2 - БПЛА, 3- мобильный пункт управления, 4 спутник, 5- зонд для забора жидких сред, 6 - зонд для забора твердых сред, 7 - зонд для забора газообразных

сред, 8 - поплавок. 162

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводстваи животноводства_

В системе агроэкологического мониторинга предлагается размещение территориальных пунктов зарядки источников питания БПЛА с радиомаяками 3 для расширения зоны обслуживания (рис. 3).

Общее устройство беспилотного летательного аппарата включает в себя систему управления полетом, устройство видеообзора, устройство сканирования поверхности земли, датчики экспресс-анализа состояния среды, устройство обработки, хранения и передачи информации, источник электропитания.

Работает система агроэкологического мониторинга в двух режимах. Режим полного мониторинга территории и режим локального мониторинга отдельных наиболее подверженных технологическому воздействию сельскохозяйственного производства участков территории.

Рис.3. Схема размещения территориальных пунктов зарядки источников питания БПЛА: 1- Объект мониторинга, 2- Мобильный пункт управления, 3- пункт зарядки источников питания БПЛА, L - максимальное расстояние от стационарной агроэкологической лаборатории 1 или мобильного пункта управления 2 до пунктов подзарядки источников

питания 3 БПЛА.

В режиме полного мониторинга территории система работает в автоматическом режиме следующим образом. Беспилотный летательным аппаратом (БПЛА) вертикального взлета и посадки в заданный промежуток времени взлетает с территории стационарной агроэкологической лаборатории и по программе полета имеющейся в системе управления полетом облетает обследуемую территорию позиционируясь с использованием системы GPS-ГЛОНАСС, при этом производит видеообзор пространства и сканирование поверхности земли, датчиками экспресс-анализа производит измерения параметров среды и результаты исследований передаются по радиоканалу в агроэкологическую лабораторию или передаются в устройство для обработки и хранения. Также с использованием зондов путем приземления или приводнения на поплавки берет пробы и доставляет их в агроэкологическую лабораторию или на мобильный пункт управления для углубленного анализа. С целью увеличения дальности полета, более эффективного использования

полетного времени в процессе мониторинга, БПЛА производит автоматическую посадку на пункты подзарядки источников питания, обозначенные радиомаяками, и производит зарядку.

В режиме локального мониторинга БПЛА, мобильным пунктом управления доставляется к объекту мониторинга (поле, животноводческая ферма, водоем, труднодоступный или заболоченный участок сельхозугодий и т.д.), оператором запускается в воздух и в дальнейшем управление производится оператором в ручном или автоматическом режиме по заданной программе в зоне действия мобильного пункта управления. Оператор направляет БПЛА к объекту мониторинга, производит видеообзор пространства и сканирование поверхности земли, датчиками экспресс-анализа производит измерения параметров среды с использованием зондов и результаты исследований передаются по радиоканалу на мобильный пункт управления или передаются в устройство для обработки и хранения. При необходимости используют зонды забора жидких, твердых или газообразных сред для взятия пробы и доставки на мобильный пункт управления для углубленного анализа.

Безусловно, требуется проведение ряда исследований по обоснованию параметров летательных аппаратов для проведения мониторинга в различных природно-климатических и производственно-технологических условиях способных нести необходимое специальное оборудование, разработка универсальных и специальных методик контроля параметров окружающей среды с использованием беспилотных летательных аппаратов.

ВЫВОДЫ

Беспилотный летательный аппарат является универсальным и очень эффективным средством для получения данных состояния атмосферы, почвы, воды, в том числе, и в труднодоступных участках. Развитие технологий зондирования с помощью БПЛА позволит не только получить значительный объем качественных данных для исследований, но и позволит проводить валидацию данных на новом уровне.

Наиболее подходящими по своим характеристикам являются аппараты мини и легкого класса способные нести комплект оборудования массой до 5 кг и радиусом действия до 30-50 км, что позволяет контролировать одному аппарату с периодическим облетом территорию площадью до 3000 кв. км.

Работы по разработке и применению БПЛА ведутся в нашей стране в основном в инициативном порядке и в большинстве частными компаниями, при этом государственная поддержка таких работ минимальна. Для полноценного развития этой отрасли, а тем более способности контролировать значительную долю мирового рынка по беспилотной технике, и в частности в сельском хозяйстве, требуется активная государственная поддержка.

Необходима активизация научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию специализированных комплексов измерительных средств параметров среды (экологической обстановки) адаптированных с применением на беспилотных летательных аппаратах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Валге А.М., Вторый В.Ф., Вторый С.В. Концептуальная схема модели антропогенного воздействия молочно-товарной фермы на экологию окружающей среды. Известия СПбГАУ. №38, 2015, С.324-328.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводстваи животноводства_

2. Брюханов А.Ю., Васильев Э.В., Шалавина Е.В. Проблемы обеспечения экологической безопасности животноводства и лучшие доступные методы их решения - Региональная экология. 2017. №1(47). С.37-43.

3. Сергеев К. «Беспилотники» в сельском хозяйстве / К. Сергеев // Специализированный сельскохозяйственный журнал «Ресурсосберегающее земледелие». 2013. №2(18). С. 30-33.

4. Беленков А.И. Опыт и перспективы применения беспилотных летательных аппаратов в точном земледелии / А.И. Беленков // Агроснабженческий журнал «Нивы России». 2016. №5(138) июнь. С. 62-65.

5. Фетисов В.С. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние / В.С. Фетисов, Л.М. Неугодникова и др. // Монография. - Уфа: ФОТОН, 2014. -217 с.

6. Вторый В.Ф., Вторый С.В. Система мониторинга параметров микроклимата на молочно-товарной ферме крупного рогатого скота. ГНУ СЗНИИМЭСХ, материалы Международного агроэкологического форума. СПб, Т1, 2013. С 113-118.

7. Брюханов А.Ю. Кондратьев С.А., Обломкова Н.С., Оглуздин А.С., Субботин И.А. Методика определения биогенной нагрузки сельскохозяйственного производства на водные объекты. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: Теор.и научн-практ. журн./ ИАЭП.- Вып.89.- СПб., 2016.- С. 175-182.

УДК 631.147: 502.55

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОТРАСЛИ СВИНОВОДСТВА В РОССИИ Е.В.ШАЛАВИНА, канд.техн.наук, Э.В. ВАСИЛЬЕВ, канд.техн.наук

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП) Россия, Санкт-Петербург

В настоящее время наблюдается интенсификация отрасли свиноводства, строятся крупные комплексы и активно происходит модернизация имеющихся хозяйств с целью увеличения мощности производства. 82% от всего поголовья свиней в РФ содержится в крупных сельскохозяйственных предприятиях. Рассмотрен свиноводческий комплекс законченного цикла с единовременным содержанием 15000 голов свиней. Интенсификация отрасли повлекла за собой образование значительных объемов навоза - на данном комплексе ежегодно образуется от 50000 тонн навоза. Несмотря на уменьшении влажности исходного свиного навоза (с 97-98% в 1990-х годах до 93-94% в настоящее время) содержание общего азота и общего фосфора в свином навозе увеличилось в 2 и 1,5 раза, соответственно. Поэтому для данного комплекса для внесения получаемого органического удобрения необходимо не менее 500 га земельных угодий. Затраты ресурсов при интенсивном разведении свиней находятся в следующих пределах: расход воды на поение при воспроизводстве -от 8 до 14 л гол/сут; расход воды на технологические нужды при опоросе - от 6 до 10 л гол/сут; потребление электроэнергии на отопление - от 1,5 кВт/гол*год при доращивании до 1046 кВт/гол*год при опоросе. Для указанного комплекса был произведен расчет технико-экономических и экологических показателей применяемой технологии, а также предложен расчет данных показателей с учетом модернизации технологии переработки свиного навоза. Эколого-

165