CC BY
389
УДК 004:631.58
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
АКИНЧИН А.В.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры земледелия и агрохимии, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина, тел. 8(4722) 39-26-68.
ЛЕВШАКОВ Л.В.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, декан агротехнологического факультета ФГБОУ ВО Курская ГСХА. ЛИНКОВ С.А.,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры земледелия и агрохимии, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина; е-mail: linkovserg@yandex.ru, тел.8(4722) 39-26-68.
КИМ В.В.,
кандидат технических наук, доцент, начальник центра информационно-консультационной деятельности, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина, тел. 8-910-321-82-78.
ГОРБУНОВ В.В.,
магистрант, Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина.
Реферат. В статье рассмотрены вопросы, касающиеся использования беспилотных летательных аппаратов в системе точного земледелия с целью оперативного получения информации и фиксирования ее в электронной оболочке, что значительно сократит время на обнаружение проблемы состояния посевов сельскохозяйственных культур и время на принятие решения для устранения этой проблемы. Развитие науки, общественных отношений, колоссальный объем новой информации и новых информационных технологий во всех сферах человеческого бытия вносят свои коррективы и в проблемы профессиональной подготовки специалистов. Все это требует иначе, под другим углом зрения посмотреть на проблему совершенствования профессиональной подготовки специалистов. В условиях открытого информационного общества и единого образовательного пространства формирование информационной культуры будущего специалиста, являющейся обязательным компонентом профессионального мастерства, становится актуальным . На данный момент применение беспилотных летательных аппаратов в точном земледелии является одним из перспективных направлений. На сегодняшний день в России данное направление находится на зачаточном уровне. Аэрофотосъемка с БПЛА более детализована, нежели космический снимок. Разрешение снимков возможно в сантиметрах на точку, за счет высот полета от 100 до 600 метров над поверхностью земли. Кроме того, БПЛА позволяют вести съемку даже в условиях облачности, что недоступно спутникам и затрудняет использование авиации. Внедрение данных технологий позволяет создавать точные электронные карты полей, в динамике контролировать состояние посевов сельскохозяйственных культур и оперативно принимать решения на изменяющуюся ситуацию. Индекс NDVI, полученный с помощью БПЛА наиболее полно и детально отражает существующую ситуацию по каждому участку поля, чего трудно достичь за счет космической съемки. Знание точных значений индекса NDVI позволяет с достаточно высокой долей вероятности прогнозировать урожайность зерновых культур. Для эффективного ведения сельскохозяйственного производства необходимо вести электронный учет всех проводимых операций на полях, данных планирования и мониторинга. С этими задачами успешно справляется программа «ЦПС Агроуправление». Дальнейшая отработка технологических операций по защите посевов от вредителей, а также и учет урожая пропашных культур, выполняемых с помощью БПЛА позволит с высокой точностью защитить посевы и своевременно внести коррективы в планирование работ.
Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, ортофотоплан, индекс NDVI, дрон.
INFORMATION TECHNOLOGY IN PRECISION AGRICULTURE
Essay. The article deals with the issues related to the use of unmanned aerial vehicles in the system of precision agriculture with the aim of obtaining information quickly and fixing it in the electronic shell, which will significantly reduce the time to discover the problem of the state of crops and the time to take a decision to eliminate this problem. The development of science, public relations, the colossal volume of new information and new information technologies in all spheres of human life make their own adjustments to the problems of professional training of specialists. All this requires differently, from a different angle, to look at the problem of improving the professional training of specialists. In the conditions of an open information society and a single educational space, the formation of the information culture of the future specialist, which is an obligatory component of professional skill, becomes relevant. At the moment, the use of unmanned aerial vehicles in precision agriculture is one of the promising areas. For today in Russia this direction is at an embryonic level. Aerial photography with a UAV is more detailed than a space image. The resolution of the images is possible in centimeters per point, due to flight altitudes from 100 to 600 meters above the ground. In addition, UAVs allow shooting even in cloudy conditions, which is not available to satellites and makes it difficult to use aviation. The introduction of these technologies makes it possible to create accurate electronic maps of fields, to monitor the state of crops in a dynamic and to make prompt decisions on a changing situation. The NDVI index, obtained with the help of UAV, most fully and in detail reflects the existing situation for each section of the field, which is difficult to achieve due to space imagery. Knowing the exact values of the NDVI index allows you to predict the yield of grain crops with a high probability. To effectively conduct agricultural production, it is necessary to maintain an electronic record of all field operations, planning and monitoring data. With these tasks the program "CPS Agro management" successfully manages. Further development of technological
operations to protect crops from pests, as well as taking into account the crop of tilled crops, carried out with the help of UAV, will enable to protect the crops with high accuracy and timely make adjustments to work planning.
Key words: Unmanned aerial vehicles, orthophoto, NDVI, the drone.
AKINCHIN A.V.,
candidate of agricultural Sciences, associate Professor of agriculture
and agricultural chemistry, Belgorod state agricultural University named after V. Gorin, phone: 8(4722) 39-26-68. LEVSHAKOV L.V.,
candidate of agricultural Sciences, associate Professor, Dean of the faculty of agricultural technology KGSHA them. I. I. Ivanova.
LINKOV S.A.,
candidate of agricultural Sciences, associate Professor of agriculture and agricultural chemistry, Belgorod state agricultural University named after V. Gorin. E-mail: linkovserg@yandex.ru, phone: 8(4722) 39-26-68.
KIM V.V.,
candidate of technical Sciences, Professor, head of centre for information and Advisory activities, Belgorod state agricultural University named after V. Gorin, tel. 8-910-321-82-78.
GORBUNOV V.V.,
the student of agronomical faculty, Belgorod state agricultural University named after V. Gorin.
Введение. Развитие сельскохозяйственной отрасли неизбежно ввиду увеличения численности населения мира и развития торговых отношений. Это приводит к усилению конкуренции на соответствующие товары. В такой ситуации наиболее важными свойствами производимой продукции будут ее качество, цена, независимость урожая от погоды и вредителей, затраты на содержание техники и персонала и многое другое.
Современный мир, каким мы его знаем, во многом стал возможен благодаря революции в сельском хозяйстве. Технологический прогресс многократно повысил производительность труда в этой отрасли, и теперь достаточно небольшой процент людей, занятых в сельском хозяйстве, способен прокормить все население планеты. Однако прогресс не стоит на месте, и находятся новые методики повышения эффективности отрасли. Одной из самых актуальных технологий современности является точное земледелие [1].
Результаты исследования. Современное сельское хозяйство работает по тем же принципам, что и любой бизнес - постоянное стремление снижать себестоимость единицы продукции и повышать производительность в расчете на единицу затраченных ресурсов. На протяжение всего XX века достигать этих целей позволял классический инструментарий - использование все более:
- экономичных сельхозмашин;
- продуктивных сортов растений;
- эффективных удобрений;
- рациональных агротехнологических приемов.
Сегодня эти инструменты по-прежнему актуальны,
но их потенциал практически достиг предела, возможного при современном уровне технологий. В то же время появились новые инструменты, недоступные ранее. В частности спутниковые и компьютерные технологии, ставшие общедоступными. Их освоение и внедрение в сельское хозяйство привело к созданию точного земледелия, включающего в себя множество элементов.
Освоение системы точного земледелия можно условно разбить на три основных этапа:
1) сбор информации о хозяйстве, поле, культуре, регионе;
2) анализ информации и принятие решений;
3) выполнение решений - проведение соответствующих агротехнологических операций.
Для реализации технологии точного земледелия необходимы:
- современная сельскохозяйственная техника, управляемая бортовой ЭВМ, способная дифференцированно проводить агротехнические операции;
- приборы точного позиционирования на местности (система ГЛОНАСС, GPS-приёмники);
- технические системы, помогающие выявить неоднородность поля (автоматические пробоотборники, различные сенсоры и измерительные комплексы, уборочные машины с автоматическим учётом урожая, приборы дистанционного зондирования сельскохозяйственных посевов и др.) [2, 3].
Первый этап достаточно развит в плане технического и программного обеспечения. Для его выполнения используются автоматические почвенные пробоотборники, оснащенные GPS-приемниками и бортовыми компьютерами; дистанционные методы зондирования (ДМЗ), такие как аэрофотосъемка и спутниковые снимки; геоинформационные системы (ГИС) для векторизации спутниковой съемки и составления пространственно-ориентированных электронных карт полей; карты урожайности обмолачиваемых культур, получаемые сразу после уборки.
Основой технологии точного земледелия (второй этап) является программное наполнение, которое обеспечивает автоматизированное ведение пространственно-атрибутивных данных картотеки полей, а также генерацию, оптимизацию и реализацию агротехнических решений с учётом вариабельности характеристик в пределах возделываемого поля. На сегодняшний день наименее развит, однако существует ряд программных продуктов, предназначенных для анализа собранной информации и принятия производственных решений. В основном это программы расчёта доз удобрений с элементами геоинформационных систем (ГИС) [4, 5, 6].
Этап выполнения агротехнологических операций, так же как и первый этап, динамично развивается. Здесь самыми «продвинутыми» являются операции по внесе-
нию минеральных удобрений, средств защиты растений, а также посев зерновых и пропашных культур.
Внесение удобрений по технологии точного земледелия проводится дифференцированно, то есть, условно говоря, на каждый квадратный метр необходимо вносить столько удобрений, сколько необходимо конкретно на данном элементарном участке поля.
Предусматривается предварительная подготовка на стационарном компьютере карты-задания, в которой содержатся пространственно привязанные, с помощью GPS, дозы удобрения для каждого элементарного участка поля, рассчитанные по результатам агрохимического обследования. Для этого проводится сбор необходимых для расчёта доз удобрений данных о поле (пространственно привязанных). Расчёт дозы производится для каждого элементарного участка поля, тем самым формируется (в специальной программе) карта-задание, которая переносится на чип-карте на бортовой компьютер сельскохозяйственной техники, оснащённой GPS-приёмником, и выполняется заданная операция. Трактор, оснащенный бортовым компьютером, двигаясь по полю, с помощью GPS определяет свое местонахождение и считывает с чип-карты дозу удобрений,
соответствующую месту нахождения, затем посылает
Рисунок 1 - Запуск БПЛА Геоскан-201
В ближайшем будущем планируется разработка роботизированных комплексов, предусматривающих вылет беспилотников на поля согласно графику, сбор необходимой информации и переброску ее в автоматизированную систему обработки после возвращения, а также самостоятельную подзарядку аппаратов. Специальные дроны для сельскохозяйственной деятельности эффективны еще тем, что с их помощью можно планировать свою траекторию полета, стремясь к максимальному охвату насаждений, и с помощью управления камерой, можно совершенствовать картинку для последующего полного анализа происходящего.
Возможность полета от двух метров над растением и до полукилометра, дает перспективу, которую земледельцы не имели прежде. По сравнению со спутниковыми снимками, этот способ комфортней в финансовом плане и обеспечивает более качественную картинку. Это даже дешевле, чем совершать контроль за урожаем с помощью изображений с пилотируемого летательного аппарата, стоимость услуг которого может быть от тысячи долларов в час, что является не совсем бюджетным вариантом.
соответствующий сигнал на контроллер распределителя удобрений. Контроллер же, получив сигнал, выставляет на распределителе удобрений нужную дозу [7, 8].
Одним из перспективных направлений в точном земледелии является использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) - дронов. На сегодняшний день в России данное направление находится на зачаточном уровне. Некоторые владельцы агрохолдингов запускают дронов над своими полями, чтобы по установленной на них видеокамере визуально выявить проблемы своих угодий. Да, это сократит затраты и время на объезд многокилометровых полей. Но человеческий глаз не способен выявить глубокие проблемы растений, такие как наличие вредоносных объектов или нехватка удобрений, особенно при таких огромных территориях.
Для решения таких проблем начали внедрять муль-тиспектральные камеры. Учёные определили, что по поглощенному и отраженному свету от растений можно судить об их химическом составе, а, следовательно, и об их здоровье. Мультиспектральные камеры как раз и созданы для того, чтобы собирать данную информацию быстро и в больших объёмах. Затем, с помощью специальных алгоритмов, данные обрабатываются и делаются выводы о состоянии исследуемого участка [9].
9 0
3
«Г^Тл!
Рисунок 2 - Ортофотоплан территории УНИЦ «Агротехнопарк»
С весны 2017 года сотрудниками Белгородского ГАУ совместно с компанией «Центр Программ Систем» на базе полей УНИЦ «Агротехнопарк» проводится изучение эффективности применения дронов в системе точного земледелия с фиксированием полученных данных в системе «Агроуправление».
Рисунок 3 - Карта полей лаборатории по изучению систем земледелия и проблемной лаборатории селекции и промышленного семеноводства
В июне с помощью беспилотного летательного аппарата Геоскан-201 была выполнена детальная аэрофотосъемка территории, по результатам которой сформирован ортофотоплан.
Исходные изображения в расширении RAW, которые получены в результате проведения аэрозалета с БПЛА, обрабатывались в фотограмметрических программных комплексах. Принципом сборки является поиск одних и тех же участков местности на разных кадрах.
Маршрут беспилотного аппарата закладывался таким образом, чтобы перекрытие снимков составляло 60 % по вертикали и 80 % по горизонтали. Другими словами один и тот же участок земли фиксируется сразу на нескольких снимках и в дальнейшем по совпадающим признакам склеивается в единый файл. Это необходимо для исключения эффекта параллакса.
9 0 ММ„ ® 5 ■• <3. ^
Рисунок 4 - Картограмма полей по индексу NDVI
Также при облете территории с помощью мультис-пектральной фотокамеры было выполнено определение индекса NDVl (индекса накопления биомассы растений).
Индекс NDVI - это стандартизированный индекс, показывающий наличие и состояние растительности (относительную биомассу). Этот индекс использует контраст характеристик двух каналов из набора муль-тиспектральных растровых данных - поглощения пигментом хлорофилла в красном канале и высокой отражательной способности растительного сырья в инфракрасном канале (NIR).
Данный индекс рассчитывали по формуле:
NDVI = NIR - RED > NIR + RED
где NIR - отражение в зоне ближнего ИК;
RED - отражение в красной области спектра.
В основе данной формулы лежит тот факт, что высокая фотосинтетическая активность, как правило, связанная с густой растительностью, приводит к уменьшению отражательной способности объекта в красной зоне спектра и к увеличению в зоне ближнего ИК. Благодаря этому появляется возможность на основе воздушных съемок проводить картирование растительного
покрова, выявлять площади, покрытые и непокрытых
растительностью, оценивать плотность, всхожесть, состояние растений, а с помощью регулярного мониторинга наблюдать развитие процессов в динамике.
Рисунок 5 - Картограмма полей по индексу NDVI, полученная с помощью космической съемки
Значения индекса NDVI полученные с помощью квадрокоптера мы сравнили со значениями данного индекса за аналогичный период на той же территории, но полученными со спутника (рисунок 5).
На рисунке 4 в красном цветовом диапазоне хорошо видны зоны с угнетенной или отсутствующей растительностью. Четко выделяются границы полей, видны проблемные участки этих полей.
На космическом снимке (рисунок 5) данный индекс отражен не по всем полям, кроме того, он усреднен в рамках поля, что не дает объективной информации о состоянии растительности.
Кроме того, использование БПЛА позволяет сформировать карту формата shape с последующей загрузкой ее в контроллеры техники для дифференцированного внесения удобрений. В то время как данные космического мониторинга такой точностью не обладают.
Таким образом, данные, получаемые со спутника можно использовать для получения общей информации о состоянии посевов и проведения мониторинга, а данные полученные с БПЛА служат для оперативного реагирования на изменение качественного состояния посевов сельскохозяйственных культур.
На основании значения индекса NDVI мы спрогнозировали урожайность озимой пшеницы. При этом наиболее точный прогноз урожайности посевов можно дать в момент прохождения пика значения NDVI. Например, для посевов озимой пшеницы при возделывании по интенсивной технологии, значение NDVI во время пика достигает 0,80-0,88 [10-12]. Пик NDVI обычно приходится на момент начала фазы колошения. Зная потенциальную урожайность сорта, и величину индекса, мы можем прогнозировать, что при таком значении NDVI урожайность будет максимальной для данного сорта. Если в фазу колошения NDVI достигает значения всего 0,60-0,65, то это значит, что урожайность будет ниже максимальной на 20-25 %. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Урожайность сортов озимой пшеницы
Сорт озимой пшеницы Урожайность, ц/га
прогнозируемая (на основе NDVI) фактическая
Белгородская 12 57,0 58,0
Белгородская 16 62,0 66,0
Майская Юбилейная 60,9 64,0
Из представленных в таблице 1 данных следует, что различия между прогнозируемой и фактической урожайностью составляют по разным сортам от 1 до 4 ц/га (1,5-6,3 %), то есть весьма незначительны. Повысить точность прогнозирования можно путем регулярного измерения индекса и его увязка с климатическими особенностями.
Рисунок 6 - Отработка приемов внесения с помощью БПЛА средств защиты растений
Выводы. В конечном итоге отработанные методики позволят вывести сельскохозяйственное производство на новый уровень с повышением рентабельности отрасли.
Все полученные при проведении съемок с помощью беспилотных летательных аппаратов данные, а также
сведения по структуре посевных площадей, урожайности культур, применении удобрений и средств защиты растений внесены в программу ЦПС: «Агроуправление». Применение данной программы позволяет:
1. Управлять и хранить электронные карты полей сельскохозяйственного предприятия.
2. Осуществлять инвентаризацию, мониторинг земель сельскохозяйственного предприятия.
3. Вести учет полей, земельные правоотношения, кадастровый учет по собственному или арендованному земельному фонду.
4. Выполнять агрономический учет, анализ состояния земель и посевов.
5. Проводить оперативный анализ и интерпретацию результатов дистанционного зондирования Земли (кос-моснимки и аэрофотосъемка БПЛА): карты-схемы индекса вегетации N0^, оценка однородности всходов полей, анализ карт высот и уклонов для планирования севооборота, контроль водной и ветровой эрозии почв.
6. Осуществлять стратегическое, оперативное планирование и контроль выполнения сельскохозяйственных работ на полях.
Кроме этого, были проведены работы по оптимизации внесения трихограммы и химических средств защиты растений с помощью квадрокоптера «Геоскан-401», собраны данные для определения урожайности подсолнечника посредством фотосъемки с БПЛА.
В дальнейшем планируется отработать технологию дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений, отбора почвенных образцов, контроля посевов и оперативного принятия решений на меняющиеся условия роста и развития культур, оценки эффективности применения БПЛА в растениеводстве.
Таким образом, применение беспилотных летательных аппаратов в сельскохозяйственном производстве позволит создать более точный электронный картографический материал, вести электронный учет сельскохозяйственных операций, осуществлять оперативный контроль за состоянием посевом и также оперативно реагировать на возникающие нарушения и отклонения, прогнозировать урожайность культур и планировать свою деятельность на кратковременную и долгосрочную перспективу.
Список использованных источников
1. Семыкин В.А., Пигорев И.Я. Научное обеспечение инновационного развития сельского хозяйства Курской области // Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса: материалы всероссийской научно-практической конференции. - 2007. - С. 3-10.
2. Кучкарова Д.Ф., Хаитов Б.У. Современные системы ведения сельского хозяйства // Молодой ученый. - 2015. -№12. - С. 222-223.
3. Труфляк Е. В. Основные элементы системы точного земледелия. - Краснодар: КубГАУ, 2016. - 39 с.
4. Рунов Б. А., Пильникова Н. В. Основы технологии точного земледелия. Зарубежный и отечественный опыт. - 2-е изд., исправ. и дополн. - СПб.: АФИ, 2012. - 120 с.
5. Точное земледелие. http://www.technoserv.ru/ru/solutions/gis/farming/
6. Точное земледелие: комплексный подход. http://www.ikc-apk.kuban.ru/newapk/gps/gps160708.html
7. Точное земледелие: практикум / А.И. Завражнов и др.; под ред. М. М. Константинова. - Мичуринск: Изд-во Мич-ГАУ, 2012. - 116 с.
8. Щеголихина Т. А., Гольтяпин В.Я. Современные технологии и оборудование для систем точного земледелия: научно-аналитический обзор. - М.: ФГБНУ «Росин-формагротех», 2014. - 80 с.
9. Кондратьев К.Я., Козодеров В.В., Федченко П.П. Аэрокосмические исследования почв и растительности. - Л.: Гидрометеоиздат, 2014.
10. Афанасьев Р.А. Агрохимические проблемы дифференцированного применения удобрений // 3-я научно-практическая конференция "Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства (16-18 июня 2008 г., Минск). - М.: Изд-во ВИМ, 2008. - С. 105.
11. Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие: учебное пособие / В.И. Балабанов, С.В. Железова, Е.В. Березовский и др. - М.: Изд-во РГАУ - мСхА имени К.А. Тимирязева, 2013. - 148 с.
12. Личман Г. И., Личман Г.И., Смирнов И.Г. Интеллектуальное земледелие как дальнейшее развитие идей точного земледелия // Нивы Зауралья. - 2015. - № 1 (123). - С. 21-24.
List of sources used
1. Semykin V.A., Pigorev I.Ya. Scientific support of innovative development of agriculture in the Kursk region // Regional problems of increasing the efficiency of the agro-industrial complex: materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference. - 2007. - P. 3-10.
2. Kuchkarova D.F., Haitov B.U. Modern systems of agricultural management // Young scientist. - 2015. - № 12. - P. 222223.
3. Truflya, E. V. The basic elements of the system of precise farming. - Krasnodar: KubGAU, 2016. - 39 p.
4. Runov B.A., Pilnikova N.V. Fundamentals of Precision Farming Technology. Foreign and domestic experience. - 2 nd ed., Corrected. and add. - SPb .: A®H, 2012. - 120 with.
5. Precise farming. http://www.technoserv.ru/ru/solutions/gis/farming/
6. Precise farming: an integrated approach. http://www.ikc-apk.kuban.ru/newapk/gps/gps160708.html
7. Precise farming: practical work / A.I. Zavrazhnov and others; Ed. M. M. Konstantinova. - Michurinsk: Publishing house MichAU, 2012. - 116 p.
8. Shchegolikhina T.A., Goltyapin V.Ya. Modern technologies and equipment for precision farming systems: scientific and analytical review. - Moscow: FGBNU "Rosin-formagrotekh", 2014. - 80 p.
9. Kondratiev K.Ya., Kozoderov V.V., Fedchenko P.P. Aerospace studies of soils and vegetation. - L .: Gidrometeoizdat, 2014.
10. Afanasyev R.A. Agrochemical problems of differential application of fertilizers // 3rd scientific and practical conference "Machine technologies of production in the system of precision farming and livestock breeding (June 16-18, 2008, Minsk) .- M .: VIM Publishing, 2008. - P. 105.
11. Navigation technologies in agriculture. Coordinate agriculture: a manual / V.I. Balabanov, S.V. Zhelezova, E.V. Berezovsky and others. - Moscow: Izd. RGAU - MAAA named after K.A. Timiryazev, 2013. - 148 p.
12. Lichman G.I., Lichman G.I., Smirnov I.G. Intellectual agriculture as the further development of ideas of exact agriculture // Niva Zauralye. - 2015. - No. 1 (123). - P. 21-24.
