Способ предуборочной десикации посевов сельскохозяйственных культур переменной нормой внутри одного поля
METHOD FOR PRE-HARVESTING DESICCATION OF CROPS WITH VARIABLE NORM WITHIN ONE FIELD

Заявляемое в качестве изобретения техническое решение относится к области сельского хозяйства, а именно к точному прецизионному координатному земледелию, и предназначено для использования при проведении десикации сельскохозяйственных культур с использованием информации со спутника при дифференцированно точном определении границ зон десикации с учетом полевой неоднородности и различной влажности растений на разных участках полей.
Применение спутниковой информации достаточно широко распространено в настоящее время в отрасли сельского хозяйства. Благодаря спутниковым снимкам пользователь может получать в динамике информацию о полях хозяйства и своевременно реагировать на возникающие отклонения. В качестве примера можно привести патент РФ №2495556 от 18.09.2008 г., МПК: А01С 7/08, А01С 15/04, опубликованный 27.10.2011 г., защищающий, в частности, способ управления сельскохозяйственным агрегатом для внесения в почву материала в виде семян и удобрений, причем средства дозирования материала, связанные со средствами выдачи материала, приспособленные для регулирования и дозирования материала действуют с использованием навигационной системы GPS или ГЛОНАСС, которая вырабатывает сигнал после обнаружения участков почвы, по которым ранее прошел данный сельскохозяйственный агрегат и внес материалы в почву. Применение спутниковой навигации в данном способе позволяет предотвращать дублирование посева и разрушение уже засеянных грядок. Другим примером является заявка РСТ №WO 2016129671, МПК: А01В 69/00, G05D 1/02, от 13.02.2015 г., опубликованная 18.08.2016 г., на систему контроля за автономной работой транспортного средства, в которой описана система управления работой сельскохозяйственного транспортного средства, осуществляющая запуск рабочих беспилотных тракторов и определяющая их местоположение на поле с помощью спутников. Как видно из приведенных примеров, спутниковая навигация способствует повышению эффективности и точности проведения многих видов сельскохозяйственных работ.
Известен аналог заявляемого технического решения, устройство автоматизированного управления многоопорной дождевальной машиной фронтального действия для точного полива по патенту России на изобретение №2522526 от 11.12.2012 г., МПК: A01G 25/16, 25/09; G01N 25/56; G01S 19/05, опубликованному 20.07.2014 г., описание которого позволяет судить о соответствующем способе. В аналоге описано устройство автоматизированного управления многоопорной дождевальной машиной фронтального действия для точного полива, включающее установленные на тележках с электроприводом трубопроводы, блок синхронизации движения по курсу и блок управления скоростью движения машины, причем сигнал, полученный с измерителей влажности, установленных на орошаемом участке поля, поступает на систему управления поливом через ГЛОНАСС-спутник, сигнал с системы управления поливом через ГЛОНАСС-спутник передается на вход-выход ГЛОНАСС-приемника, при этом выход блока анализа сигналов соединен с входами блока управления поливом. В зависимости от фактической влажности почвы квадратов орошаемого поля, сигнал от соответствующих измерителей влажности передается на ГЛОНАСС-спутник, который в свою очередь, передает сигнал на ГЛОНАСС-приемник. Далее сигналы поступают на блок анализа сигналов, где определяется минимальная скорость движения дождевальной машины, при которой обеспечивается максимальная норма полива. В квадратах, в которых влажность почвы выше минимального значения влажности, блок анализа сигналов вырабатывает команду на соответствующий блок управления поливом, который в свою очередь, путем изменения скважности сигнала будет изменять расход через дождевальные насадки.
Общими признаками с заявляемым техническим решением являются использование системы ГЛОНАСС, с помощью которой оптимизируются параметры работы сельскохозяйственной машины в зависимости от конкретных полевых условий. Достоинством аналога является наличие нескольких режимов - автоматизированного, полуавтоматизированного и ручного, в зависимости от возможности применения навигационной системы GPS, а также с учетом перебоев или отсутствия спутниковой связи, например, при магнитных бурях, профилактических перерывах и различных внешних воздействиях.
Недостатки данного аналога связаны с целью его разработки, в основном направленной на усовершенствование дождевальных установок и способов полива. Поскольку в аналоге орошаемый участок поля по ширине захвата дождевальной машины делится на 18 участков по числу групп дождевальных насадок, т.е. зависит от работы устройства, постольку невозможно точное зонирование участков разной формы с разными параметрами, а следовательно, недостаточны его функциональные возможности.
Известен способ прецизионного внесения удобрений (прототип) по патенту России на изобретение №2355154 от 04.04.2007 г., МПК: А01С 21/00, опубликованному 20.10.2008 г., включающий отбор образцов на анализ, определение содержания элементов питания растений в почвенных образцах, расчет компенсационной дозы удобрения с учетом исходного содержания элементов питания в почве и автоматизированное внесение компенсационной дозы с использованием современных средств навигации, причем отбор почвенных образцов на агрохимический анализ производят индивидуально в местах пересечения линий координатной сетки между собой и с границами внутриполевых выделов, предварительно запроектированных на картографическом контуре поля, измеряют бортовым компьютером агрегата расстояние от места его нахождения по линии движения до ближайшей парной координатной точки с относительно повышенным содержанием элемента питания в почве в долях единицы от расстояния между парными точками, а компенсационную дозу вносимого удобрения рассчитывают по разработанной авторами патента формуле.
Таким образом, в прототипе целью разработки является повышение точности внесения прецизионно компенсационных доз удобрения под планируемый урожай на разнородном по плодородию поле в процессе линейного движения агрегата, корректируемых фиксированными в географических координатах показателями содержания элементов питания в почве и бортовым приемником навигации глобальной системы позиционирования.
Техническое решение прототипа обладает признаками сходства с заявляемым техническим решением, такими как применение спутниковой навигации, автоматизированная работа сельскохозяйственного оборудования, индивидуальный анализ внутриполевых выделов, предварительно запроектированных на картографическом контуре поля, а также наличие расчета дозирования веществ, улучшающих параметры поля, засеянного сельскохозяйственными культурами.
Недостатками прототипа являются: относительно узкий диапазон применения, разработанная формула предназначена только для определения компенсационной дозы вносимого удобрения. Кроме того, типологические выделы поля в прототипе зависят от географической координатной сетки и поэтому агрохимический анализ производят в узлах координатной сетки, заданных заранее. Следовательно, способ-прототип не позволяет проводить обработку сельскохозяйственных культур в условиях конкретных параметров соответствующих зон на поле, могущих иметь конфигурацию, отличную от координатной сетки.
Заявляемое техническое решение позволяет обрабатывать поле с неравномерными границами различных зон. Вместо внесения обрабатывающего препарата при постоянной норме, этот препарат также может быть внесен при изменяющейся норме или при нескольких заданных нормах в границах поля или площади, представляющей интерес. В устройствах, предназначенных для внесения материала при изменяющихся нормах, обычно используют способы, обеспечивающие определение оптимального количества вносимого материала на конкретные площади поля.
В заявляемом способе десикация должна производиться при готовности культуры на преобладающей части поля. Данные о сельскохозяйственных культурах с целью определения их потребностей в обработке в метрическом объеме на единицу площади получают на основе визуального осмотра состояния культуры в разных зонах поля, выделенных по значению NDVI со спутникового снимка. В целях экономии расхода химических препаратов, а также повышения качества обработки предлагается автоматическое разделение поля на зоны для дифференцированной обработки. Количество зон может быть от трех до четырех: если зон меньше трех, точность обработки ухудшается из-за невозможности учета всех участков плотности зеленой массы; если зон больше четырех, это усложняет процесс обработки, а в некоторых случаях делает его невозможным из-за взаимных габаритов зон поля и опрыскивателя. Для выделения зон используют спутниковый снимок за последние дни (до 10-12 дней) до момента начала обработки. Более ранний снимок не даст точной информации, ближайший по времени снимок иногда бывает проблематично получить достаточно быстро. Современные методы ведения сельского хозяйства предполагают поступление данных с двух спутниковых систем, что позволяет обеспечивать частоту получения снимков каждые 4-6 дней, или 6 снимков в месяц.
Рабочий раствор обрабатывающего препарата готовится в соответствии с рекомендациями его производителя. Например, классический препарат «Реглон Супер, ВР», содержащий 150 г/л водного раствора диквата, на каждый гектар применяется в норме от 1 до 2 литров препарата. В зависимости от оборудования на опрыскивателе он может быть растворен в воде из расчета 10-300 литров рабочего раствора на гектар. Поэтому в заявляемом техническом решении в таблице 1 приведен % рабочего раствора на гектар.
Вегетационный индекс NDVI, показатель количества зеленой биомассы на каждом отдельном участке поля, это один из самых распространенных индексов для решения задач, использующих количественные оценки фактического состояния растительного покрова. Диапазон значений, в которых определяется индекс NDVI для растительности, располагается от 0 до 1. Чем выше значение NDVI, тем больше зеленой массы содержится в рассматриваемом объекте. Индекс NDVI не показывает абсолютных значений биомассы зеленых листьев (например, в т/га), но по нему можно с высокой точностью и оперативностью выявить и оценить зоны, где хорошо или плохо развиваются посевы, на каких участках больше зеленой массы листьев растений, а на каких меньше. Шкала режима вегетационного индекса NDVI может быть выполнена как в виде горизонтальной шкалы с отображением разными цветами зон поля от 0 до 1., так и в виде гистограммы. Гистограмма - это такой режим отображения значений NDVI внутри конкретного поля в виде шестнадцати диапазонов, при котором близкие между собой количественные значения NDVI объединены и представлены в виде прямоугольников соответствующего диапазона. Данный режим позволяет не только оценить неоднородность зеленой массы на полях наглядно по спутниковым снимкам, но и определить неоднородное и различное на каждом участке поля дозирование внесения препарата десикации.
Экономия действующего вещества при использовании карт-заданий на дифференцированную десикацию достигается путем установки разных норм внесения для различных участков поля, при этом участки определяются в зависимости от интенсивности развития зеленой массы на этом участке.
Задача уточнения расхода обрабатывающего препарата при дифференцированном процессе десикации является важной задачей в целях обеспечения безопасности, а также с целью снижения расхода препарата и повышения эффективности обработки полей сельскохозяйственных культур. Задачей также является разработка математического моделирования настройки границ диапазона зон по гистограмме абсолютных значений вегетационного индекса NDVI с последующим получением из исходного спутникового снимка обрабатываемого поля, с рассчитанным показателем NDVI, предписания в виде карты-задания с выделением необходимого количества зон. Важной задачей также является возможность бесперебойной работы оператора опрыскивателя, в бортовой компьютер которого загружается с помощью USB памяти или телеметрической связи карта-задание поля с укрупненными дифференцированными участками обработки и предустановленными нормами внесения рабочего раствора препарата для десикации.
Решение поставленных задач достигается использованием спутниковых снимков с их последующей обработкой в зависимости от контуров конкретных внутриполевых выделов, соответствующей настройкой границ диапазона зон по гистограмме абсолютных значений вегетационного индекса NDVI и группировкой каждого пикселя изображений в одну из необходимых для обработки зон.
Новым является предложенный принцип перехода от исходного спутникового снимка к карте-заданию с выделением необходимого количества зон и их укрупнением с помощью построения рабочей гистограммы для каждого конкретного поля.
Заявляемое техническое решение позволяет решать задачи дозирования и оптимизации точности нанесения необходимого для десикации препарата на растения.
Цель разработки заявляемого технического решения - повышение точности предуборочной десикации путем внесения переменной нормы на разнородном по вегетации зеленой массы растений поле, с помощью бортового приемника навигации глобальной системы позиционирования типа ГПС или ГЛОНАСС, в процессе движения обрабатывающего опрыскивателя в соответствии с гистограммой абсолютных значений вегетационного индекса NDVI и с корректировкой вносимой дозы для каждой рассчитанной внутриполевой зоны.
Техническая задача - разработка оптимальных параметров способа предуборочной десикации посевов сельскохозяйственных культур переменной нормы внутри одного поля; достижение возможности настройки границ диапазона зон с различными нормами внесения рабочего раствора препарата по гистограмме абсолютных значений вегетационного индекса NDVI с группировкой каждого пикселя на карте NDVI в одну из обрабатываемых зон.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей обрабатывающего опрыскивателя, применение на практике оптимальных параметров способа предуборочной десикации переменной нормой посевов сельскохозяйственных культур внутри одного поля; расчет, на основе спутниковой информации об обрабатываемом поле, гистограммы абсолютных значений вегетационного индекса NDVI, которая позволяет выделить внутриполевые зоны и определить для каждой из них оптимальную норму расхода рабочего раствора препарата в каждом конкретном случае. Достижение указанного результата обеспечивается особенностями заявляемого способа.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что способ предуборочной десикации посевов сельскохозяйственных культур переменной нормы внутри одного поля включает автоматизированную работу сельскохозяйственного оборудования с применением спутниковой навигации для индивидуального анализа внутриполевых зон, предварительно запроектированных на картографическом контуре поля, а также наличие расчета дозирования вносимого для улучшения параметров поля, засеянного сельскохозяйственными культурами, препарата, причем автоматизированную работу сельскохозяйственного оборудования начинают с загрузки карты-задания на бортовой компьютер, установленный в кабине опрыскивателя, далее бортовой компьютер автоматически устанавливает геолокацию посредством системы ГПС/ГЛОНАСС, считывает нормы с карты-задания в конкретной точке поля и в процессе десикации корректирует норму расхода рабочего раствора препарата на каждом участке поля согласно загруженной карте-задания, при этом карта-задание предварительно разработана агрономом на основе значений вегетационного индекса NDVI по отдельно взятому полю и на основе определения нормы рабочего раствора при визуальном осмотре поля и проводит десикацию: в следующих вариантах:
1) исходя из трех внутриполевых зон с корректировкой нормы рабочего раствора согласно схеме:
- для зоны №1 - NDVI<0,2 - норма рабочего раствора от 0 до 50%;
- для зоны №2 - NDVI от 0,2 до 0,45 - норма рабочего раствора от 50 до 100%; - для зоны №3 - NDVI>0,45 - норма рабочего раствора от 100 до 125%;
2) исходя из четырех внутриполевых зон с корректировкой нормы рабочего раствора, согласно схеме:
- для зоны №1 - NDVI<0,2 - норма рабочего раствора от 0 до 50%;
- для зоны №2 - NDVI от 0,2 до 0,3 - норма рабочего раствора от 50 до 75%;
- для зоны №3 - NDVI от 0,3 до 0,45 - норма рабочего раствора от 75 до 100%;
- для зоны №4 - NDVI>0,45 - норма рабочего раствора от 100 до 125%,
и далее проводят обработку поля согласно разработанной на основе нормы рабочего раствора карте-задания.
Заявляемый способ проиллюстрирован чертежами фиг. 1-6, на которых изображены:
Фиг. 1 - исходный спутниковый снимок поля с рассчитанным показателем NDVI до десикации;
Фиг. 2 - настроенная гистограмма абсолютных значений вегетационного индекса NDVI с границами диапазона зон и группировкой каждого пикселя изображений в одну из трех зон, где 0,25 и 0,4 это абсолютные значения индекса NDVI.
Фиг. 3 - электронная карта-задание (карта-предписание) с выделением трех зон, каждая из которых выделена цветом (красным, желтым и зеленым).
Фиг. 4 - спутниковый снимок поля после десикации.
ПРИМЕР конкретного выполнения заявляемого способа. Для десикации пшеницы ПФ-Новоенисейская агрономом хозяйства был получен исходный спутниковый снимок поля (Фиг. 1), по которому была составлена гистограмма абсолютных значений вегетационного индекса NDVI (Фиг. 2), на основе которой внутри поля значения NDVI объединены в три зоны. По карте с тремя зонами агроном провел визуальный осмотр поля, сделал вывод о норме рабочего раствора по зонам и установил эти нормы в карту-задание, которая посредством флэш-памяти была помещена в бортовой компьютер опрыскивателя. На экране монитора в кабине оператора опрыскивателя была отображена электронная карта-задание на десикацию (Фиг. 3) с тремя зонами. Далее по карте-заданию была проведена десикация пшеницы со следующими параметрами нормы расхода рабочего раствора:
На иллюстрации Фиг. 4 изображено поле после десикации, на этом снимке темно-зеленые пятна - это кусты и деревья. Агрокультура подсушена равномерно и готова к уборке урожая. В итоге на засоренном поле сэкономлено 15% препарата Реглон Эйр, а это 30 тыс. рублей на поле 161 га (186 руб./га) и на 12% увеличена производительность опрыскивания.
Подобное сочетание универсальности способа с относительной простотой использования в прототипе не достигнуто.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».