CC BY
41
ИНТЕГРИР СИСТЕМА
ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Аннотация. Рассмотрены основные элементы технологии точного земледелия. На примере одного из агропредприятий Минской области проведена отработка перспективных направлений использования беспилотных аппаратов для дистанционного мониторинга сельскохозяйственных угодий. Показано, что применение беспилотных авиационных комплексов позволяет значительно увеличить урожайность, уменьшить использование дизельного топлива и удобрений, сократить потери урожая из-за болезней. Ключевые слова: технология точного земледелия, авиационный мониторинг, беспилотный авиационный комплекс, вегетационный индекс.
Агропромышленный комплекс Беларуси - одна из ведущих экспортно-ориентированных отраслей республики, которая приносит ежегодную прибыль порядка 5-7 млрд долл. По мнению отечественных ученых-аграриев, дальнейшее увеличение объемов продукции растениеводства и животноводства связано с внедрением интегрированных систем точного земледелия. Как отмечается в «Национальной стратегии устойчивого социально-экономического развития Республики Беларусь на период до 2030 г.» [1], а также в материалах II Съезда ученых Республики Беларусь [2], основной акцент в сельскохозяйственном производстве на ближайшую пятилетку будет сделан именно на данные технологии.
W / ß- ¿//¿f—Ä.-/jL-/r>
ЦИФРОВАЯ ПЕРСПЕКТИВА
Сергей Чижик,
первый заместитель
Председателя Президиума НАН Беларуси, академик
Сергей Антошук,
завотделом Объединенного института машиностроения НАН Беларуси, кандидат технических наук
Евгений Галушко,
завлабораторией
«Прикладные компьютерные технологии в АПК» института механизации и электрификации сельского хозяйства Белорусского государственного аграрного технического университета, кандидат технических наук
Сергей Костевич,
заместитель генерального директора ЗАО «Авиационные технологии и комплексы»
Сергей Костюкевич,
научный сотрудник
Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси, кандидат физико-математических наук
Юрий Леоновец,
генеральный директор
ЗАО «Авиационные технологии и комплексы»,
кандидат технических наук
Производством сельскохозяйственной техники с элементами точного земледелия в нашей стране занимается ряд предприятий. Так, на Минском тракторном заводе выпускаются тракторы нового поколения, оснащенные навигационным автоуправлением (автопилоты), а также системами вспомогательного управления прицепными орудиями. На предприятии «Гомсельмаш» производятся комбайны с автоуправлением и системами картирования урожайности. Аналогичные работы ведут компании «Лидаг-ропроммаш», «Бобруйскагромаш» и другие производители сельскохозяйственной техники.
В настоящее время хозяйства республики преимущественно ориентируются на традиционные технологии возделывания и уборки культур, предус-
матривающие использование усредненных показателей и норм по внесению удобрений и высеву семян, которые учитываются при планировании работ, прогнозировании урожайности и, соответственно, расчете прибыли. Такой подход ведет к перерасходу посевного материала, удобрений, пестицидов, топлива, трудозатрат и, как следствие, к недополучению прибыли, а зачастую - потерям, которые могут достигать порядка 40 ц/га. К примеру, внесение удобрений средней дозой по всему полю приводит к перерасходу сырья на участках с потенциально более высоким плодородием и одновременно - к недостатку питательных веществ с более низким.
В отдельных хозяйствах страны уже внедрены некоторые элементы технологии точного земледелия: проводится агрохимическое обследование полей с использованием автоматизированных систем отбора проб, применяется система картирования урожайности, а также автоматического вождения сельскохозяйственной техники и т.д. Однако единой интегрированной системой, позволяющей осуществлять планирование работ (с учетом оптимизации затрат) и контроль за их выполнением, не пользуется практически ни одно хозяйство.
Идея точного земледелия заключается в управлении продуктивностью посевов с учетом локальных особенностей (пестроты почвенного плодородия) внутри каждого поля. Оно также рассматривается как оптимальное управление ростом и развитием растений на единице площади для получения максимальной прибыли при экономии хозяйственных и природных ресурсов. Или, к примеру, под ним понимают стратегию, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников с тем, чтобы принимать правильные решения по управлению сельскохозяйственным предприятием. Резюмируя, можно отметить, что точное земледелие - инновационный метод управления земельными угодьями, который позволяет решать задачи сразу по четырем направлениям:
■ агрономии (рост урожайности за счет точного внесения удобрений и средств защиты растений);
■ техническому обеспечению (рациональное использование сельхозмашин и планирование сельскохозяйственных операций);
■ экологии (сокращение негативного воздействия сельхозпроизводства на окружающую среду);
■ экономике (рост производительности и сокращение трудовых и финансовых затрат).
Метод точного земледелия позволяет реализовать
множество технологических решений, среди них:
■ создание электронных карт полей (базы цифровой картографической информации) с использованием многоспектральных снимков с беспилотных авиационных комплексов (БАК)
с последующей обработкой с помощью геоинформационных систем (ГИС). При этом границы поля определяются с геодезической точностью;
■ агрохимическое обследование полей и составление почвенных карт хозяйства (автоматический отбор проб почвы и их оценка с помощью ОРБ-приемника, бортового компьютера и специального программного обеспечения);
■ автоматизация процессов вождения техники при проведении технологических операций, включая выбор и настройку оборудования для параллельного (точного) вождения по полю. Техника должна быть укомплектована кур-соуказателями, подруливающими устройствами, автопилотом. Это позволит избежать пробелов и перекрытий при внесении удобрений, семян и средств защиты растений;
■ отслеживание изменения состояния полей и посевов в течение вегетационного периода на различных участках с помощью БАК, укомплектованных многоспектральными камерами видимого и ближнего инфракрасного диапазона спектра;
■ автоматизация процессов управления прицепными орудиями сельхозтехники для внесения строго определенного количества удобрений и средств защиты растений (СЗР) на различные участки одного и того же поля;
■ использование беспилотной авиации в этих целях. Как известно, несвоевременное проведение работ по защите растений может привести к недобору значительной части урожая и снижению прибыли хозяйства. Особенно это актуально в весенний период, когда затруднен выезд на поля наземной техники из-за слабой несущей способности почвы. Также воздушный способ обработки сельскохозяйственных культур эффективен в случае «точечного» внесения СЗР при использовании средств позиционирования;
■ автоматический мониторинг урожайности
и составление карт урожайности полей с помощью зерноуборочных комбайнов и/или БАК;
■ накопление и хранение данных геоинформационными системами, что позволит отслежи-
вать динамику процессов и обеспечит наглядность их представления;
■ автоматизация поддержки принятия решений и контроль их исполнения (разработка автоматизированного рабочего места руководителя, главного инженера, агронома и т. д.);
■ разработка учебных курсов и других методических материалов для студентов аграрных вузов, а также повышение квалификации и переподготовка специалистов АПК для работы с системами точного земледелия и т. д. Этим далеко не исчерпывается технологическая
цепочка системы точного земледелия на уровне одного хозяйства с последующим масштабированием системы на район, область и всю республику.
Совместное предприятие «Авиационные технологии и комплексы» в 2017-2018 гг. осуществило авиационный мониторинг сельскохозяйственных угодий одного из хозяйств Минской области. Его целью была отработка перспективных направлений использования беспилотных технологий, в том числе:
■ создание электронных карт полей;
■ инвентаризация сельхозугодий;
■ оценка объемов работ и контроль их выполнения;
■ ведение оперативного мониторинга состояния посевов;
■ определение нормализованного вегетационного индекса (ЫВУ1);
■ оценка всхожести и прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур;
■ проверка качества пропашности;
■ ведение экологического мониторинга. Авиационный мониторинг осуществлялся БАК
самолетного типа «А-10У» собственной разработки. Комплекс имеет высокие технические характеристики - крейсерская скорость 80-100 км/ч, дальность полета до 90 км, время полета 4 часа, целевая нагрузка до 2 кг. В качестве последней используются видеокамера высокого разрешения, фотоаппарат, тепловизор либо мультиспектральная камера.
Мониторинг сельскохозяйственных угодий с применением беспилотных технологий начинается с отбора космических снимков среднего разрешения (10-30 м/пиксель) [3], картографического материала, включая карту агрохимического обследования, историю полей и т.д., для внесения в базу данных первичной информации от заказчика. Затем составляется индивидуальное полетное задание и выполняется съемка с беспилотника «А-10У» с разрешением
на местности от 2 до 20 см/пиксель в видимом и ближнем ИК-ди-апазоне спектра.
На следующем этапе производится тематическая обработка собранных данных: их векторизация, создание ортофотопла-нов полей, 3Б-моделей местности и высот рельефа, дешифрирование проблемных участков. На рис. 1 приведен пример сшивки аэроснимков (ортофотоплана) территорий площадью 100 га с высоты полета 500 м и разрешением 10,9 см/пиксель. Использование ортофотоплана позволяет измерять границы полей с геодезической точностью (от 5 см до 1 м), а также дешифрировать и вычислять площади проблемных мест.
На рис. 2 представлены результаты работ по созданию цифровых моделей поверхности и рельефа местности. При таком подходе осуществляется выделение районов по видам растительности и определение ее средних высот.
Характерным признаком состояния растений является их спектральная отражательная способность, имеющая максимум поглощения хлорофилла в красной зоне спектра (0,665 мкм) и отражения клеточной структуры листа в ближней инфракрасной области (0,75-1,3 мкм). Это обстоятельство позволяет с помощью аэроснимков в указанных спектральных диапазонах вычислить вегетационные индексы (NDVI) [4]. Наиболее популярный из них имеет значение от 0,2 до 0,9. В качестве примера на рис. 3 представлены наземные снимки угнетенной кукурузы с NDVI 0,25 и здоровых растений с NDVI 0,9.
На основании преобразования каждого пикселя аэроснимка в красной и инфракрасной областях спектра в новое значение можно построить орто-
Рис. 1. Пример сшивки аэроснимков (ортофотоплана) участка местности размером 100 га с высоты полета 500 м и разрешением 10,9 см/пиксель
Рис.3. Наземные снимки угнетённой кукурузы с Ы0У!, равным 0,25, и здоровых растений с ЫЭУ!, равным 0,9
Культура на ионии ■ кукуруи Пщщадь сблета ■ 603 га Птощадь угнетен® рзпитель^ад™ ГО- -23.2 ta, Пгашадь полей с пошбиеи
Рис.4. Пример обследования поля кукурузы (ортофотоплан), выраженный в NDVI
фотоплан сельскохозяйственной растительности, выраженный в МЭУ1. По результатам тематической обработки ортофотоплана 603 га кукурузного поля можно с высокой точностью оценить площадь угнетенной культуры, которая составляет 28,2 га, и погибшей - 22 га (рис. 4.). Это важная информация, которая может быть использована при прогнозе урожайности.
Результаты тематической обработки аэроснимков с БАК совместно с базой данных первичной информации включаются в состав ГИС данного хозяйства. Дальнейшее развитие интегрированной технологии точного земледелия предусматривает создание системы поддержки принятия решений [5], включая автоматизированные рабочие места для руководителей и специалистов хозяйства. Для этого необходимо иметь программное обеспечение, состоящее из следующих модулей:
■ прогнозирование урожайности в соответствии с различными сценариями (максимальный урожай, максимальная прибыль, порог безубыточности и т. д.) с учетом расхода удобрений, пестицидов, посевного материала, топлива, затрат труда;
■ оптимизация структуры пахотных и посевных площадей, севооборота, формирования рекомендаций;
■ интеграция программной среды с управляющими системами полевых машин и агрегатов;
■ планирование работ, формирование годовых планов, отчетов;
■ автоматический учет затрат и их интеграция с бухгалтерскими продуктами (1С: Бухгалтерия) и т.д. Создание интегрированной системы точного
земледелия даже на базе одного сельхозпредприя-
тия с последующим масштабированием на район, область и всю республику является сложной научно-технической задачей, которая требует привлечения как государственных, так и частных инвестиций. Использование технологии дистанционного мониторинга с БАК позволяет увеличить урожайность на 7-25%, уменьшить количество ГСМ на 20-30%, удобрений - на 40% и снизить потери урожая из-за болезней на 70%. В масштабах страны эффект от применения интегрированной системы точного земледелия может измеряться в миллиардах рублей.
Точное земледелие можно рассматривать как переходный этап от интенсивного земледелия к органическому, то есть не только к производству здоровых продуктов питания, но и к оздоровлению почвы, водных объектов, воздуха, прилегающих аграрно-лесных угодий. Его цель - достижение наиболее закрытого круговорота питательных веществ в рамках хозяйства, сохранение и повышение плодородия почв и, в конечном счете, получение высококачественной экологически чистой продукции и снижение отрицательного воздействия на окружающую среду. Технологии точного земледелия должны гармонично вписываться в органическое производство и использоваться как инструмент для проведения мониторинга почвенно-климати-ческих условий при формировании полей севооборота органического растениеводства, оценки состояния посевов в период вегетации и прогнозирования урожайности.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Национальная стратегия устойчивого социально-экономического развития Республики Беларусь на период до 2030 г. // https://www.economy.gov.by/ru/ dejst_prognoz_dok-ru/.
2. Стратегия «Наука и технологии: 2018-2040» // https://www.gknt.gov.by/news/ aktualno/strategiya_nauka_i_tekhnologii_2018_2040/.
3. Комарова А.Ф. Открытые мультиспектральные данные и основные методы дистанционного зондирования в изучении растительного покрова. /А.Ф. Комарова, И.В. Журавлёва, В.М. Яблоков // Принципы экологии. 2016. №1. С. 40-74.
4. Черепанов А.С. Вегетационные индексы // Геоматика. 2011. №2. С. 98-102.
5. Галушко Е.В. Интеллектуально-ориентированная система оперативной оценки и управления агропромышленным комплексом на основе формирования расширенных баз данных / Галушко Е.В., Зайка В.А., Прищепов М.А. и др. // Электроника ИНФО. №2. 2007. С. 61-64.
