CC BY
47
УДК 632.982.4
Новые методы
дистанционного мониторинга
A.К. ЛЫСОВ, Т.В. КОРНИЛОВ,
B.Г. ФЕДЧЕНКО, М.П. ХАБАРОВ
С целью снижения пестицидной нагрузки на агроценозы и обеспечения экологической безопасности окружающей среды разрабатываются высокоточные технологии на основе концепции Precision Farming (Precision Agricultural), под которой понимают дифференцированную обработку только тех полей или частей поля, которые заселены вредителями и засорены сорняками выше установленных пределов.
Технически такая технология стала возможной благодаря точному определению места нахождения объекта при помощи спутниковой навигационной системы GPS (Global Positioning System). Эта система позволяет определять место нахождения объекта с точностью от 1 до 3 м. Производители сельскохозяйственной техники и энергетических средств предлагают все больше и больше тракторов, комбайнов, тукоразбрасывателей, сеялок и опрыскивателей, которые оборудованы навигационными приемниками (терминалами, датчиками для приема навигационных и технологических параметров, бортовыми компьютерами, управляющими технологическими процессами машин с соответствующими интерфейсами). Для опрыскивающей техники разработаны специальные системы позиционирования для прямолинейного и криволинейного движения по полям с различной конфигурацией и высокой точности стыковки технологических проходов, исключающей огрехи и перекрытия.
Для дифференцированного внесения средств защиты растений, помимо глобальной спутниковой системы позиционирования, необходи-
мо иметь и опрыскивающую технику, способную в доли секунд менять расход препарата на том или ином конкретном участке поля. Для решения этой задачи фирмой Lechler (Германия) разработана система Vario Selekt, представляющая собой пневматический многопозиционный клапан с распылителями, который устанавливается на штанге опрыскивателя. Он выпускается с 2 или 4 гнездами, в которых крепятся распылители.
Управление включением и выключением распылителей осуществляется с центрального пульта через миниатюрные электропневматические клапаны, количество которых равно количеству распылителей в гнезде умноженному на количество секций. Таким образом, отпадает необходимость в традиционном управлении секциями опрыскивателя. Равномерность распределения жидкости распылителями одного гнезда не зависит от распределения жидкости другими гнездами. Открывание распылителя производится с помощью сжатого воздуха, закрывание - пружиной клапана. Расход воздуха при этом незначительный. Для этого используется компрессор тормозной системы трактора. Общее регулирование нормы внесения рабочей жидкости может производиться как изменением давления, так и количеством одновременно работающих распылителей.
Эффективное применение данной техники требует, однако, разработки оперативных и достоверных методов съема информации о мелкомасштабной гетерогенности зараженности и засоренности поля с последующим решением о необходимости защитных мероприятий и системы управления технологическим процессом дифференцирован-
ного внесения средств защиты растений.
Для дифференцированного внесения пестицидов предлагается два подхода:
1.Геокодированное картирование участков поля (Off-line-концепт). При этом используется позиционная система (DGPS), а данные географической информационной системы (GPS) обрабатываются с помощью геостатистических методов.
2. Концепт однофазной обработки (On-line или real-time-концепт). Сбор данных, их обработка и управление опрыскивателем проводятся в одном рабочем подходе без использования DGPS, с помощью оптических или оптоэлектронных датчиков.
Выбор того или иного подхода зависит от наличия возможностей диагностирования с помощью фото- и видеооптических камер или датчиков определения степени зараженности или засоренности полей.
В соответствии с программой исследований, разработанных ВИЗР и Университетом аэрокосмического приборостроения, в Всеволожском районе Ленинградской области, были проведены испытания по диагностике заселенности полей вредителями (чешуекрылые на капусте и колорадский жук на картофеле) и засоренности посадок капусты, посевов многолетних трав как традиционными методами учета, так и при помощи фото- и видеосъемки с мотодельтаплана с привязкой к месту конкретных участков поля на базе системы GPS. В АОЗТ «Всеволожс-кое» было выполнено 8 аэросъемок с использованием видеокамеры и цифрового фотоаппарата. Предварительно на опытных участках проводились наземные учеты целевых объектов и компьютерная обработка полученных материалов с использованием прикладных программ по обработке изображений.
В результате установлены оптимальная высота полета мотодельтаплана, определен опытным путем оптимальный угол видеосъемки и
панорамной фотосъемки. И можно сделать вывод, что дистанционное диагностирование позволяет с достаточной точностью получать данные о необходимости химических обработок, а использование системы GPS обеспечивает привязку зараженных участков поля для последующей работы опрыскивающей техники.
Вместе с тем выявлены недостаточные разрешающие возможности видео- и фотоаппаратуры при съемке с мотодельтаплана (скорость полета около 60 км/ч). Видеоаппаратура не успевала сфокусироваться, поэтому видеокартинка не всегда получалась качественной, что затрудняло диагностирование даже с помощью компьютерной техники.
И все же считаем, что применение воздушных судов сверхлегкой авиации для аэромониторинга целесообразно. Для обработки полученных изображений участки поля разбивают на квадраты с шириной кратной ширине захвата опрыскивателя. Однако предварительно необходимо провести аэрофотомониторинг и проанализировать полученные фотографии для составления карты заражения поля. Современный уровень развития вычислительной техники позволяет достаточно эффективно использовать ее для решения этой задачи. Делать это можно с помощью программы Adobe Photoshop, в базу данных которой внесены эталонные изображения сорных растений в уязвимой для гербицидов фазе развития. Полученные изображения участков поля обрабатываются с использованием вышеуказанной программы путем сравнения полученных изображений с эталонными. Метод этот, однако, достаточно трудоемок и не всегда дает объективные показатели. Поэтому для обработки данных по зараженности полей сорной растительностью предложен другой метод.
Поскольку форма и цвет сорной растительности разнообразны, автоматизированное ее выделение на исходном изображении представля-
ет собой весьма нетривиальную задачу. Проще решить обратную задачу. Как правило, посевы имеют однородно-периодическую структуру и сильно контрастируют с окружающими объектами, следовательно, необходимо удалить с исходного изображения основную культуру, а затем определять степень засорения поля. Для этих целей эффективным оказался метод анализа в частотной области. Для преобразования исходного изображения в частотную область используется прямое дискретное преобразование Фурье.
На фурье-образах реальных фотографий сельскохозяйственных полей видны светлые пятна, появление которых связано с тем, что яркость основной массы растений меняется в небольшом диапазоне частот. Расстояние от начала координат фурье-образа до центра этого пятна определяет среднюю частоту, с которой изменяется яркость основной культуры на исходном изображении. При фильтрации(удалении)этих пятен в фурье-образе фильтруется и основная культура на исходном изображении. При этом другие объекты исходного изображения, яркость которых меняется с другой частотой, остаются нетронутыми, и задача отделения основной культуры от других объектов на изображении сводится к нахождению оптимального фильт-
ра для подавления периодического шума, вносимого основной культурой (в данном случае именно основная культура является нежелательным шумом, от которого следует избавиться). Для фильтрации изображений используются узкополосные режекторные фильтры, не пропускающие частоты в определенных окрестностях своих центральных частот.
После фильтрации фурье-образа оптимальным режекторным фильтром на исходном изображении остаются только пораженные области, по площади которых легко определить степень зараженности поля и принять решение о необходимости дифференцированного внесения средств защиты растений. Кроме того, по координатам местоположения участков засоренности можно составить карту и определить оптимальный маршрут движения летательного аппарата или опрыскивателя с бортовым компьютером.
Наиболее перспективным направлением ранней диагностики заболеваний растений является применение тепловизоров, работающих в видимой и инфракрасной области спектра.
ВИЗР
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Еще можно оформить подписку!
Те, кто не успел оформить подписку на наш журнал на первое полугодие, могут подписаться на почте с ближайшего очередного номера.
Можно прислать заказ также непосредственно в редакцию и перечислить деньги на наш банковский счет. Номера журнала, начиная с первого, в этом случае будут высылаться заказной бандеролью.
Стоимость подписки в редакции на первое полугодие 2008 г.:
660 руб. — при высылке вышедших номеров заказной бандеролью,
480 руб. — при получении журнала в редакции.
Филиалам «Россельхозцентра», подразделениям Россельхознадзора подписка может быть оформлена и в кредит — под гарантийное письмо, подписанное руководителем, с выплатой задолженности до конца полугодия.
