CC BY
32
АГРОНОМИЯ
Научная статья УДК 004.9:331.43
Электронный образ полей в системе точного земледелия*
Николай Васильевич Абрамов
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Статья является составной частью комплексных исследований (1977 - 2020 гг.). Системный подход в разработке цифровых производственных процессов возделывания сельскохозяйственных культур выстраивает последовательность поэтапного перехода на инновационные технологии. После определения природного потенциала Тюменской области, биопотенциала растений и оптимальных параметров почвенного плодородия важным этапом является оцифровка сельскохозяйственных угодий. Установлено, что колебания площади полей были в интервале 0,3 - 1,2 % при оцифровке их методами объезда, дешифрования космо-снимков и с использованием беспилотных летательных аппаратов. На облёт 100 га тратилось 8,6 мин., а при объезде по контуру поля - 24 - 33 мин. Построение границ полей с помощью космических спутников может искажать их расположение с нарушением географических координат. Применение беспилотного летательного аппарата марки Геоскан 201 Агро для получения ортофотоплана позволяет получить более чёткое изображение внутрипольных объектов. Дистанционное зондирование Земли имеет ограничения из-за облачности в приземных слоях. Беспилотный летательный аппарат повышает качество фотоснимков из-за минимально безопасной высоты полёта (под облаками) - 100 м над сельскохозяйственными угодьями. Моделирование электронного образа полей является неотъемлемой частью цифровизации производственных процессов в агропромышленном комплексе.
Ключевые слова: оцифровка полей, географическая система координат, система спутниковых навигаций, метод объезда, беспилотный летательный аппарат, формирование ортофотопланов.
Для цитирования: Абрамов Н.В. Электронный образ полей в системе точного земледелия // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91). С. 9 - 12.
Original article
Electronic image of fields in a precision farming system
Nikolay V. Abramov
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article is an integral part of comprehensive research (1977 - 2020). A systematic approach to the development of digital production processes for the cultivation of agricultural crops builds a sequence for a phased transition to innovative technologies. After determining the natural potential of the Tyumen region, the biopotential of plants and the optimal parameters of soil fertility, an important stage is the digitization of agricultural land. It was found that fluctuations in the area of the fields were in the range of 0.3 - 1.2 % when digitizing them by bypass methods, deciphering space images and using unmanned aerial vehicles. It took 8.6 minutes to fly over 100 hectares, and when driving around the field contour - 24 - 33 minutes. The construction of field boundaries using space satellites can distort their location in violation of geographic coordinates. The use of an unmanned aerial vehicle of the Geoscan 201 Agro brand to obtain an orthophotomap allows you to get a clearer image of indoor objects. Remote sensing of the Earth has limitations due to cloudiness in the surface layers. The unmanned aerial vehicle improves the quality of photographs due to the minimum safe flight altitude (under the clouds) - 100 m above agricultural land. Modeling the electronic image of fields is an integral part of the digitalization of production processes in the agro-industrial complex.
Keywords: field digitization, geographic coordinate system, satellite navigation system, detour method, unmanned aerial vehicle, orthomosaic formation.
For citation: Abramov N.V. Electronic image of fields in a precision farming system. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5): 9 - 12. (In Russ.).
Фундаментальной основой для перехода на цифровые технологии возделывания сельскохозяйственных культур является определение природного потенциала региона, параметров почвенного плодородия. Это позволяет товаропроизводителю понять целесообразность применения инновационных технологий с использованием систем спутниковой навигации [1, 2].
Ко второму этапу перехода на технологические процессы точного земледелия относится создание электронных карт сельскохозяйственных угодий с точным определением границ полей с географической привязкой к координатам, их площади, конфигурации и цифровой модели рельефа. Важность второго этапа обусловлена сменой собственника земельных угодий, выводом пашни
* Работа проведена по заданию МСХ РФ, приказ № 082-03-2020-259 и при поддержке гранта РФФИ № 19-316-90001.
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91)
Агрономия
из оборота, арендными отношениями, несвязанной поддержкой товаропроизводителей на 1 га.
Геоинформационные системы (ГИС) решают большую часть проблем контроля, анализа и рационального планирования работ. Они представляют собой мощное средство в принятии решений управленческого характера и охватывают практически все области хозяйственной деятельности человека. ГИС рассматриваются как одно из технологических решений геоинформатики [3 - 5].
Электронная карта полей носит базовый характер для цифровизации производственных процессов в растениеводстве. Это средство инвентаризации земель, определяющее ресурсный потенциал земель хозяйства. Электронная карта позволяет точно рассчитать нормы расхода ГСМ, внесения удобрений и СЗР в зависимости от площади. На основании составленных агрохимических картограмм по элементарным участкам удобрения могут вноситься дифференцированно с использованием систем спутниковой навигации, что позволит значительно экономить туки, повышать урожай и качество растениеводческой продукции.
Современные технические возможности позволяют оперативно проводить оцифровку полей, используя дистанционное зондирование земли с помощью искусственных спутников Земли (ДЗЗ), метод объезда по границам поля, применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Поэтому нами была поставлена цель: дать сравнительную оценку оцифровки полей различными методами.
Материал и методы. Оценку различных методов оцифровки полей проводили в производственных условиях на полях АО ПЗ ГАУ Северного Зауралья, ОАО «Приозёрное» Тюменской области и СПК «Калининский» Свердловской области. Общая площадь обследованных сельскохозяйственных угодий составляла 23785 га, из них 284 поля площадью 9051 га.
Для создания электронных карт полей сельскохозяйственного назначения использовались следующие инструменты и оборудование: бортовой навигационный комплекс (БНК), автомобиль-внедорожник, персональный компьютер, инструменты: ГИС-программный пакет MapInfo [6], электронные таблицы Excel, графический редактор Adobe Photoshop, различные виды баз данных, растровые фотографии хозяйств, где проводились исследования (космоснимок 2,9 пикс 250 м), принтер для печати бумажного формата.
Составленные электронные карты полей (их контур, площадь, качество снимков) с использованием беспилотного летательного аппарата Геоскан 201 Агро сравнивали с оцифрованными картами методом объезда по предложенной нами методике [3]. При оцифровке полей использовали программу QGIS (Quantum.m GIS), для
дешифровки фотографий - программу Agisoft Metashape Professional, для построения цветовой гаммы и интерпретации в NOVI - программу Sputnik Agro.
Беспилотный летательный аппарат применяли марки Геоскан 201 Агро. Длительность полёта составляла до 3 час. при максимальной высоте полета 4000 м и максимальной протяжённости маршрута 210 км с минимальной безопасной высотой полёта 100 м. Температура эксплуатации составляла от -20 до +40 °С с максимальной скоростью ветра 12 м/с. Площадь съёмки за 1 полёт при масштабе 3 - 10 см/пиксель составляла 7 - 22 км2 со скоростью 64 - 130 км/ч и максимально взлётной массе 8,5 кг.
Результаты исследования. Для создания электронных контуров полей используется материал для векторизации трёх видов:
1) выделение и оцифровка границ полей по растровым аэрофотоснимкам либо космическим снимкам (данные дистанционного зондирования Земли из космоса);
2) оцифровка контуров методом объезда полей на транспорте с установленным навигационным оборудованием (БНК «Агронавигатор»), корректируемым спутниковыми сигналами ГЛОНАСС или GPS;
3) оцифровка полей и дешифрирование фотоснимков с использованием беспилотных летательных аппаратов.
Формирование карт сельскохозяйственных угодий с географической привязкой к координатам при использовании беспилотного летательного аппарата Геоскан 201 Агро имеет более широкий временной диапазон проведения работ. Из обследованных 284 полей в хозяйствах Свердловской и Тюменской областей различие в площади, определённой методом объезда и с использованием БПЛА, составляло 0,1 - 0,3 га
В зависимости от размера земельного участка колебания в площади, определённые этими методами, находились в интервале 0,3 - 1,2 %. Например, площадь поля № 72, которая была определена при облёте беспилотным летательным аппаратом Геоскан 201 Агро, составляла 22,9 га, а при использовании метода объезда - 23,0 га, площадь поля № 73 - соответственно 25,2 и 25,5 га. Однако при оцифровке сельскохозяйственных угодий с использованием аппарата Геоскан 201 Агро на облёт 100 га тратилось 8,6 мин., а при объезде в зависимости от конфигурации полей, состояния границ поля, погодных условий, наличия искусственных и естественных внутри-польных объектов - до 24 - 33 мин., т.е. В 3 - 4 раза больше.
Сопоставление данных результатов даёт основание отдавать предпочтение беспилотным летательным аппаратам при проведении оцифровки полей. Для построения цифровых моделей
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 91(5)
Agronomy
сельскохозяйственных угодий используются спутниковые системы высокого разрешения. При дешифровании космических снимков прямыми признаками являются цвет (тон), структура и текстура изображения. Изучение, анализ их позволяет установить пространственные взаимосвязи между территориальными комплексами [7 - 9].
Формирование электронных карт полей с использованием космических съёмок способствует сокращению сроков их выполнения и затрат труда, получению оперативно сведений, биометрических показателей о культурах, так как искусственные спутники Земли снимают одну и ту же территорию несколько раз в течение суток.
Вместе с этим построение границ полей с помощью космических спутников может искажать их расположение с нарушением географических координат (рис. 1, 2). Причиной этого может быть временной источник заимствования космоснимков из архивных баз данных различных спутниковых систем (ГУГЛ, ЯНДЕКС, БИНГ и др.), их технические возможности и режим работы.
При космоснимках основным объектом для нас служит земная поверхность с её агроланд-шафтной спецификой. Космоснимок центральной проекции, когда проектирование местности осуществляется прямыми (перпендикулярными) линиями, идеально отображает геометрические свойства (форму, размер) сельскохозяйственных угодий. В процессе же формирования изображения объекта из-за наклона оптической оси в момент снимка границы поля искажаются, т.е. координатные точки на ортофотоплане получаются смещёнными относительно центральной сцены космоснимка. На качество космоснимка также оказывают влияние высота полёта космических спутников, неровный агроландшафт, погодные условия.
Так, космоснимок поля № 72 имел размытое изображение внутрипольного естественного объекта (лесной колок), что затрудняет опреде-
Рис. 1 - Треки объезда и оцифровка границ полей на ортофотоплане
лить его точные границы и площадь (рис. 3 а). К этому привело снижение разрешающей способности снимка, которая связана с высотой полёта искусственного спутника Земли, а также неравномерность светораспределения горизонтальной проекции объекта. Применение аппарата Геоскан 201 Агро для получения ортофотоплана позволило получить более чёткое изображение внутрипольного лесного колка (рис. 3 б).
На точность определения границ полей при использовании космических аппаратов оказывают влияние погодные условия. Дистанционное зондирование Земли спутниковыми системами имеет ограничения из-за облачности в приземных слоях. Данное природное явление в условиях Западной Сибири случается часто - продолжительность солнечного сияния (когда солнце не закрыто облаками, туманами) составляет лишь 18,5 - 37,4 % [10]. Растровые снимки, полученные с помощью искусственных спутников Земли, в таких случаях не могут быть использованы при оцифровке полей, так как не имеют сплошных границ.
Решение аналогичных прикладных задач с использованием беспилотного летательного аппарата Геоскан 201 Агро в подобных ситуациях вполне приемлемо. Согласно технической характеристике БПЛА с максимальной высотой полёта 4000 м может проводить снимки на минимально безопасной высоте полёта (под облаками) - 100 м над сельскохозяйственными угодьями в необходимые сроки.
Результаты выполненных нами работ по позиционированию показали месторасположение поля на территории хозяйства, района, его размер и конфигурацию.
Для всеобщего представления о земельном участке получена трёхмерная математическая модель рельефа. GPS-приёмник с программным обеспечением в бортовом навигационном компьютере позволил построить цифровую модель
Рис. 2 - Смещение границ полей на космоснимке
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 5 (91) _
Агрономия
Рис. 3 - Снимок поля № 72:
А - с искусственного спутника; Б.- полученный с использованием беспилотного летательного аппарата
рельефа поля, которая в условиях Заводоуковского района показывает относительную выравненность территории с незначительными понижениями и северо-западным уклоном.
Визуализация цифровых моделей рельефа местности позволяет разработать ресурсосберегающие технологии возделывания культур в точном земледелии. Особое значение это имеет в регионах с невыравненной поверхностью ландшафтов, в наших исследованиях - это предгорные районы Уральских гор.
Таким образом, моделирование электронного образа полей становится неотъемлемой частью цифровизации производственных процессов в агропромышленном комплексе.
Выводы. Создание электронных карт с использованием беспилотных летательных аппаратов является точным методом, оперативным, позволяет получить географические координаты границ поля и рассчитать его площадь.
Применение для оцифровки полей искусственных спутников Земли позволяет получить изображения высокого разрешения, но данный метод менее точный, зависит от многих внешних условий. Заслуживает внимания комбинированный метод (метод объезда полей) с использованием аппаратно-программных комплексов на основе космических снимков. Он также точен, но более трудоёмок.
Моделирование электронного образа полей является неотъемлемой частью цифровизации производственных процессов в агропромышленном комплексе.
Литература
1. Абрамов Н.В., Семизоров С.А., Шерстобитов С.В. Земледелие с использованием космических систем // Земледелие. 2015. № 6. С. 13 - 18.
2. Абрамов Н.В. Точное земледелие в эпоху цифровой экономики // Вестник Бурятской сельскохозяйственной академии имени В.Р. Филипова. № 3. 2020. С. 8 - 14.
3. Абрамов Н.В., Семизоров С.А., Шерстобитов С.В. Создание электронных карт полей. Тюмень, 2019. 84 с.
4. Каличник В.К., Павлов А.И. Применение ГИС в кадастровой оценке сельскохозяйственных земель / РАСХН. Сиб. отд-ие. ГНУ СибНИИЗХ. Новосибирск, 2006. 76 с.
5. Савин И.Ю., Федорова Е.Г. // Геоинформационный анализ ресурсного потенциала земель для сельскохозяйственных целей // Современные проблемы почвоведения: науч. тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. М., 2000. С. 144 - 155.
6. Цветков Н.Я. Основы работы с МарМэ: Начальный этап работы: методические указания. М.: Центр информатизации, 2008. 47 с.
7. Чащин А.Н., Жижилев В.П. Оценка сельскохозяйственного использования почв по данным дистанционного зондирования (Пермский край на примере ООО «Крона-Агро») // Социально-экологические технологии. 2020. № 1. С. 76 - 96.
8. Клепач Д.П. Беспилотные летательные аппараты // Новая наука: Опыт, традиции, инновации. 2016. № 4-2 (77). С. 128 - 130.
9. Сухих В.И. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве. Йошкар-Ола, 2005. 390 с.
10. Федосеев А.П., Пасов В.М. Справочник агронома по сельскохозяйственной метеорологии. Л. Гидрометиз-дат, 1986. 526 с.
Николай Васильевич Абрамов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор. ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья». Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, vip.anv.55@mail.ru
Nikolay V. Abramov, Doctor of Agriculture, Professor. Northern Trans-Ural State Agricultural University. 7, Republic St., Tyumen, 625003, Russia, vip.anv.55@mail.ru
