Баденко Владимир Львович, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, д.т.н., badenko@venture.spb.ru Слинчук Сергей Григорьевич, ведущий инженер Агрофизического НИИ Россельхозакадемии, sslinchuk@agrophys.ru
Для специалистов в области сельского хозяйства характерно состояние постоянного поиска новых технологий, позволяющих интенсифицировать производство сельскохозяйственной продукции. Так, развитие компьютерной индустрии, появление системы глобального позиционирования (GPS), а также успехи в области ГИС привели к появлению новой концепции, получившей название «точное» или «аккуратное» земледелие (precision agriculture, precision farming), компьютеризированное земледелие (computer aided farming). По определению Национального исследовательского совета (US National Research Council), точное земледелие — это «стратегия менеджмента, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников, с тем, чтобы принимать решения по управлению посевами».
Традиционная концепция земледелия предполагала применение агротехнических приемов единообразно на каждом сельскохозяйственном поле. Каждое поле рассматривалось как однородное, т.е. единицей управления (management unit) являлось все поле целиком. При этом, например, применение чрезмерных доз удобрений (гербицидов, других агрохимикатов) создавало реальную опасность загрязнения окружающей среды. Хотя в современном земледелии доза удобрения подбирается с учетом биологической потребности сельскохозяйственной культуры, традиционный подход не исключает появления избыточно или недостаточно удобренных областей внутри сельскохозяйственного поля. Это связано, в частности, с микропестротой почвенного покрова, а также с тем, что биологическая потребность растения в питании в том или ином месте поля может быть разной. Следовательно, с помощью постоянной дозы удобрения нельзя достичь оптимизации питания всех растений. Аналогичная ситуация характерна для обработки почвы сельскохозяйственного поля одним способом, вне зависимости от реальной пространственной изменчивости почвенного плодородия и других условий.
Принципиальное отличие новой концепции состоит в том, что технология точного земледелия рассматривает каждое сельскохозяйственное поле как неоднородное. Поле состоит из новых единиц управления, которыми являются уже однородные (квази-однородные) части поля. Подразумевается, что на каждой из этих новых единиц управления агротехнологии будут применять по-разному. Например, будет вноситься разная строго нормированная доза удобрения (гербицида, пестицида) и только на тех участках поля (единицах управления), где это необходимо. Реализация концепции точного земледелия предполагает широкое использование компьютеров, робототехнических устройств сельскохозяйственного назначения, GPS, ГИС- средств и данных дистанционного зондирования. Далее рассматривается опыт внедрения геоинформационных технологий для точного земледелия на Северо-Западе России.
Система для точного земледелия
Уже несколько лет ГНУ Агрофизический институт (АФИ) Россельхозакадемии занимается вопросами внедрения технологий точного земледелия в практику сельскохозяйственного производства. Полигоном для испытания новых технологий является Меньковская опытная станция АФИ (Ленинградская область). Для решения проблем применения ДДЗ и ГИС в точном земледелии, при активном участии кафедры «Инженерных мелиораций, гидрологии и охраны окружающей среды» (зав. кафедрой профессор Арефьев Н.В.) Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ), в АФИ был создан сектор ГИС и дистанционного зондирования – руководитель профессор СПбГПУ Баденко В.Л.
Общий подход, иллюстрирующий место ГИС и ДДЗ в технологиях точного земледелия, представлен на рис. 1. Ядром комплекса управления технологиями точного земледелия является система поддержки принятия решений (СППР). Именно СППР формирует так называемые карты обработки (treatment maps), которые определяют, как следует обрабатывать каждую единицу управления на сельскохозяйственном поле. Электронная карта обработки (Chip card на рис. 1) загружается в робототехническое устройство, находящееся на сельскохозяйственном агрегате, а GPS позволяет контролировать положение агрегата на поле, то есть определять, какая именно единица управления обрабатывается в каждый момент времени.
Рис. 1. Место ГИС и ДДЗ в технологиях точного земледелия.
ГИС является одним из основных источников информации для работы СППР. С помощью ГИС формируются пространственные базы данных (БД), на основе общей пространственной привязки интегрируется информация, поступающая из множества источников. В БД ГИС, в числе прочего, хранятся примитивы, специфические для технологии точного земледелия. В первую очередь, речь идет об уже упоминавшихся единицах управления, которые определяют ту наименьшую площадь, которая рассматривается как элементарный участок для обработки (применения агротехнологии). Единицы управления представлены площадными объектами, имеющими одинаковые размеры, за исключением может быть тех, которые находятся на краю сельскохозяйственного поля. Пример такого разделения поля опытного хозяйства АФИ в Меньково на элементарные участки размером 50 х 50 м представлен на рис. 2. На нем также показано распределение агрохимических показателей – гидролитической кислотности, а каждый элементарный участок имеет подпись, соответствующую процентному содержанию гумуса.
Рис. 2. Распределение агрохимических показателей по элементарным участкам поля.
Площадь единицы управления определяется многими факторами, в том числе той площадью, которую может охватить сельскохозяйственный агрегат с робототехническими устройствами за элементарный акт воздействия. На эту величину влияют и экономические характеристики — при прочих равных условиях технология с меньшей площадью единицы управления будет более дорогой. Поэтому при выборе величины единицы управления следует пользоваться максминным критерием. Кроме того, следует помнить, что в СППР при выборе агротехнологий эти единицы рассматриваются как однородные, то есть с одинаковыми почвенными характеристиками, содержанием питательных веществ, каменистостью и другими параметрами.
Программно-аппаратные средства
Одним из программных средств ГИС, используемых в АФИ, является пакет SSToolBox, разработанный на базе программных продуктов фирмы ESRI. Пакет включает функциональность, обеспечивающую выполнение различных операций, необходимых для точного земледелия, в том числе оверлейных, построения изолиний и карт обработки, создания регулярной структуры из прямоугольников произвольного размера. Фрагмент диалога в среде этой программы приведен на рис. 3.
Рис. 3. Интерфейс SSToolBox. Показаны опции меню «Анализ».
Технологии точного земледелия всегда сопровождаются взятием огромного числа различных образцов (проб) для определения параметров на сельскохозяйственном поле. Для отбора проб используется мобильный комплекс, установленный на автомашине «Нива» и состоящий из GPS приемника Trimble и механизма для отбора почвенных образцов (рис. 4. а,б).
 |
 |
|
Рис. 4. Мобильный комплекс для отбора почвенных образцов на полях с GPS- привязкой.
|
|
Все объекты, необходимые для обеспечения технологии точного земледелия, распределены по слоям БД ГИС. Каждый тип объектов располагается на своем слое. Кроме слоев, непосредственно связанных с технологиями точного земледелия, в БД ГИС включаются слои с общегеографическим содержанием — дороги, гидрография, населенные пункты и другие, а также пространственная информация, служащая источником исходных данных для реализации технологии точного земледелия. В связи с тем, что в технологии точного земледелия широко используются GPS-приемники, для всех слоев в БД ГИС используется проекция, основанная на эллипсоиде WGS-84. Базовая карта масштаба 1:25 000 была приобретена в Севзапгеоинформе.
В настоящее время на территорию Меньковской опытной станции создана БД ГИС, которая используется СППР по формированию арготехнологий. База данных содержит в своих тематических слоях информацию, необходимую для точного земледелия: содержание гумуса, азота, фосфора, калия, агрофизические свойства почвы и т.д. СППР анализирует информацию из БД ГИС, решает, например, какие удобрения и в какой дозе следует вносить на тот или иной участок сельскохозяйственного поля, и загружает соответствующую программу в микропроцессор, установленный на сельскохозяйственном агрегате. Там, где по данным ГИС прогнозируется получить хороший урожай, доза внесения удобрений уменьшается и, наоборот, доза удобрений увеличивается там, где ожидается недобор урожая. Описанная схема проходит испытания с использованием сельскохозяйственных компьютеризированных агрегатов: разбрасывателя удобрений AMAZONE ZA-M 1500 и опрыскивателя AMAZONE UF 800. Управляющие воздействия для этих агрегатов вырабатываются в среде ГИС SSToolBox.
При обследованиях сельскохозяйственных полей используется планшетный компьютер Fujitsu PenCentra200. На этом компьютере установлена ОС Windows CE. В качестве программного обеспечения ГИС используется пакет FieldRover-II. Общий вид этого компьютера с загруженными из БД ГИС данными приведен на рис. 5. Программное обеспечение FieldRover-II позволяет устанавливать связь с GPS приемником Trimble и получать на экране трассу движения. Эта трасса может быть экспортирована в виде шейп-файла и использована в стандартных ГИС пакетах, в том числе и в SSToolBox.
Рис. 5. Планшетный компьютер с программным обеспечением FieldRover II.
Наличие правильного позиционирования с помощью GPS приемника, в том числе в виде трассы, наложенной на дороги, по которым проезжал автомобиль, позволяет получить удобную привязку для трансформации космических снимков на исследуемую территорию. На рис. 6 показаны поля Меньковской опытной станции и трассы проезда автомобиля с GPS- приемником, которые использовались для привязки панхроматического снимка со сканера IRS-1D (разрешение 5,8 метра, дата съемки – 27 июля 2003).
Рис. 6. Панхроматический снимок на опытную территорию.
Внедрение технологий точного земледелия невозможно без использования различных имитационных систем моделирования, описывающих процессы и явления, связанные с сельскохозяйственным производством. Так, в АФИ разработана AGROTOOL — имитационная модель продукционного процесса, выполняющая динамические прогнозные расчеты. Программные средства ERDAS IMAGINE используются для информационного обеспечения ARGOTOOL на основе ДДЗ, что позволяет решать следующие задачи:
- определение состояния растительности и оценка биомассы урожая на основе анализа ДДЗ и наблюдений на сельскохозяйственном поле;
- определение по ДДЗ ряда параметров для их использования в имитационной модели AGROTOOL.
В 2003 году для решения этих задач использовались данные с индийского спутника IRS-1C. Судя по предварительным выводам, спутниковые системы, работающие на регистрации пассивного излучения, в целом плохо подходят для условий Ленинградской области с характерным для нее небольшим количеством солнечных дней. В дальнейшем предполагается использовать аэрометоды, в том числе беспилотные аппараты, и системы, использующие активное излучение.
На рис. 7 представлен многозональный снимок с аппарата IRS-1C, совмещенный с контурами полей с помощью ERDAS IMAGINE. Желтым контуром выделены анализируемые поля. На них показаны точки, для которых построены спектральные профили (рис. 8). В 2004 году на полях Меньковской опытной станции будут продолжены работы по построению спектральных портретов для процессов и явлений, важных для внедрения технологий точного земледелия на Северо-Западе России.
Рис. 7. Многозональный снимок с аппарата IRS, совмещенный с контурами полей в среде ERDAS IMAGINE.
Рис. 8. Спектральные профили для точек с рис. 7.
Заключение
В последнее десятилетие традиционные методы информационной поддержки принятия решений по управлению сельскохозяйственным производством активно дополняются новыми информационными технологиями и, в частности, географическими информационными системами. ГИС являются реальным инструментом для практической реализации новых подходов к управлению сельским хозяйством на основе пространственного видения процессов. Эта технология обеспечивает комплексирование в единой среде информации об изучаемой территории и знаний из различных областей науки и техники на основе общей пространственной привязки. Такие возможности геоинформационных технологий позволяют уверенно говорить о важнейшей роли, которую играют пространственные базы данных в реализации технологии точного земледелия. В настоящей статье были представлены общие подходы к использованию ГИС в технологиях точного земледелия и некоторые результаты, полученные в ходе практического применения геоинформационных технологий для точного земледелия на Северо-Западе России на полях Меньковской опытной станции АФИ.
Библиография
- Badenko V., Kurtener D., Rossi L. Development of fuzzy direction of GIS knowledge management with the use of Euroimage products // Agrophysical and Ecological Problems of Agriculture in the 21st Century. SPBISTRO, St. Petersburg, Russia, 2, 2000: 14-26.
- Badenko V., Kudashev E.B., Kravtsov Y.A., Mironov V.L., Kurtener D. Monitoring of soil moisture on the basis of remote sensing data and geoinformation system // Proc. Conf. Sustainable Soil Management for Environmental Protection Soil: Physical Aspects. Florence, Italy 2-7 July 2001.
- Баденко В.Л., Куртенер Д.А. Разработка интеллектуальных ГИС для поддержки принятия решений в точном земледелии: Труды международной научно-практической конференции «Агрофизика XXI века» 9-12 июля 2002 г. Санкт-Петербург. – с. 268-274.
- Kurtener D., Badenko V. Fuzzy algorithms to support spatial planning, Chapter 14 in Geertman, S. and Stillwell, J. (eds.) Planning support systems in practice, Springer, Berlin, 2002, pp. 249-265.
- Yakushev V., Petrushin A., Kurtener D., Badenko V. Precision Agriculture: Knowledge-Based and Geoinformation Aspects. In Proc. 3 rd International Symposium on Sustainable Agro-Environmental Systems: New Technologies & Applications. 26-29 October 2002, Cairo, Egypt.
