Авторы: А. А. Панков, А. В. Щеглов, В. А. Колесников
Источник: http://dspace.snu.edu.ua
Бойко О. Г. Можливості використання ГІС/ДЗЗ технологій у точному землеробстві В статье рассматривается возможность адаптации новых информационных технологий к задачам земледелия, а именно для его механизации и автоматизации.
Ключевые слова: информационные технологии, эффективность земледелия, информатизация, автоматизация, точное земледелие.
Постановка проблемы. Для обеспечения повышения показателей эффективности производства с.‑х. продукции и существенного уменьшения антропогенной нагрузки на окружающую среду необходимо внедрять передовые методы и технические средства ведения управляемого земледелия с применением дистанционного зондирования почвы, навигационных систем управления технологическими процессами и средств адаптации машин к условиям производства. Это направление особенно важно в связи с необходимостью резкого повышения эффективности с.‑х. производства за счет повышения урожайности основных культур. За последние сорок лет было достигнуто повышение урожайности за счет увеличения использования минеральных удобрений и пестицидов (так называемой «зеленой революции») и интенсификации. Сегодня уже очевидно, что в рамках традиционного земледелия не удается найти кардинальные решения по экономии и снижению себестоимости. Основные резервы в этом отношении почти исчерпаны и необходимо повышение биологического потенциала сортов, эффективности химических веществ и способов их внесения, а также оптимизации технических и организационных возможностей средств производства.
Анализ последних достижений и публикаций. Сегодня интенсивный метод (увеличение капиталовложений на единицу площади) как путь повышения урожайности, в значительной степени исчерпал себя:
Такой подход в свою очередь приводит к ухудшению качества продукции, возрастанию нагрузки на окружающую среду. Поэтому для предотвращения негативных последствий первоочередным заданием является повышение эффективности использования почв, химикатов и прочих основных и оборотных средств, автоматизация рабочих процессов [1, 2, 3]. Например, опытом голландских производителей установлено, что тотальная автоматизация выращивания пшеницы позволяет на треть повысить ее урожайность. Современные машинные технологии возделывания с.‑х. культур достаточно совершенны и потенциально могут обеспечить выполнение агротехнических требований в соответствии с принятой концепцией уравнительного землепользования. Однако результаты новейших исследований в области с.‑х. производства свидетельствуют о том, что развитие технологий и технических средств, базирующихся на этой концепции, достигли своего предела. Следствием такой системы землепользования является экспоненциальный рост затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции [4]. Выделенные проблемы в значительной степени можно решить за счет использования технологий управляемого (точного) земледелия, которые в свою очередь базируются на информационно‑коммуникативных системах и средствах управления. Такие системы и средства в настоящее время получили широкое распространение в различных отраслях и сферах деятельности человека и продолжают бурно эволюционировать и развиваться. Это отражает тенденцию того, что сегодня основой научно‑технического прогресса является резкое расширение объема обработки информации, используемой при выполнении различных технологических процессов. Для обеспечения оптимальных условий роста и развития растений необходимо обладать информацией о состоянии поля на элементарных участках. Применяемые же сегодня машинные технологии возделывания с.‑х. культур не дают возможности получить такую информацию.
Для ее получения с поля необходимо собрать два «урожая»: биологический и информационный. Информационный «урожай» лежит в основе технологии (системы) точного земледелия (СТЗ) – способа производства продукции растениеводства, который основывается на применении переменных норм внесения технологических материалов в соответствии с потребностями растений на каждом элементарном участке поля. Некоторые страны уже перешли к практическому внедрению СТЗ, которая включает в себя глобальную систему позиционирования (ГСП), географическую информационную систему (ГИС) и технологии переменных норм внесения (ПНВ) технологических материалов. ГСП основана на радионавигационной спутниковой системе, которая дает возможность определить местоположение машин в поле. При этом ошибка определения местоположения не превышает ±2м [5]. Опыт применения СТЗ дает возможность значительной экономии средств, что составляет 70…80 $/га с потенциальным увеличением в два раза. При этом на базе современных информационных систем, дистанционных и полевых методов измерений, знаний о неравномерности действия факторов земледелия по площади удается повысить урожайность на 20…30% [3,5]. Целью работы является общий анализ сложившейся ситуации в отношении существующей в Украине системы земледелия и обоснование предложений по повышению эффективности земледелия на основе тенденции повышения роли информатизации при выполнении различных технологических процессов. Известные и применяемые в некоторых странах мероприятия по информатизации технологических процессов в земледелии, а именно система точного земледелия и ее аналоги, осуществимы только на основе развитых компьютерных технологий в системе глобального позиционирования и предполагает значительные капиталовложения, так как являются глубоко специализированными. Поэтому основой для построения альтернативного варианта приняты существующие и распространенные программно‑аппаратные комплексы, широко применяемые в повседневной жизни. Дальнейшая работа в выбранном направлении заключается в отборе и адаптации таких технологий с целью более эффективного ведения хозяйства.
Постановка задачи. Реализация концепции дифференцированного воздействия на участки в реальном масштабе осуществима только на основе рациональных компьютерных технологий в системе глобального позиционирования и предполагает значительные капиталовложения. Необходимо отметить, что целостная система технико‑информационных мероприятий, охватывающая все проблемы СТЗ, пока в стадии обработки. Существующие системы решают отдельные частичные задания СТЗ. Поэтому приобрести за границей даже за большие средства целостную систему машин и соответствующих приспособлений невозможно. Вследствие этой и ряда других причин внедрение в Украине систем точного земледелия, которые предлагают западные фирмы, наталкивается на определенные трудности. Они вызваны тем, что работа GPS‑технологий в СТЗ ориентирована на инфраструктуру связи западных стран и на импортную технику, а также различается в принятых стандартах [6].
Следует подчеркнуть, что сегодня нерешенным остается вопрос создания простых и надежных в пользовании устройств определения местоположения машин и робототехнического выполнения агротехнологических операций в поле, а также соответствующего программного обеспечения [3]. Поэтому ситуацию в отношении концепции точного земледелия для Украины можно охарактеризовать как проблемную, когда системно еще не определены конструктивные решения, что нужно и что строится. Трансформация проблемы в задачную ситуацию означает структуризацию системы из типовых элементов, где каждый элемент имеет возможность выполнить, так как имеется четкое понятие в отношении его конструктивноалгоритмического назначения [7].
Обоснование возможных решений. Объективная возможность создания высокоадаптивных технических решений для точного управляемого земледелия появилась только в последние годы благодаря использованию спутниковых навигационных систем не только в промышленности, но и в бытовой сфере; расширению сетей национальных мобильных операторов; развитию программно-аппаратного комплекса (ПАК) в различных технологиях, например, 3D, расширенной и дополненной реальности и т. п. Поэтому закономерным является рассмотрение возможности адаптации названных технологий и для земледелия. Это найдет применение при решении некоторых задач, таких как:
Например, наиболее современный метод отслеживания людей и предметов – при помощи трекинговых систем. Сегодня эту задачу может выполнять портативное устройство, которое присутствует на объекте. Связующую роль выполняют развитые сети мобильной связи, по которым передается информация о местоположении устройства (трекинг‑технология). Трекинг может быть организован при помощи различных устройств и сервисов, однако принципиальная разница между ними невелика. Значение имеют, по сути, три вещи: каким образом происходит определение местоположения, куда передаются данные о нем, и как они обрабатываются. Ранее работоспособность такого подхода не обеспечивала недостаточная скорость сети Интернет. Сейчас скорость передачи данных и ширина полосы значительно возросли, а стоимость оборудования уменьшилась, что делает возможным адаптацию и приме- нение трекинг‑технологий для земледелия. Все это позволяет подобрать и адаптировать компьютеризованные средства управления, аппаратное и программное обеспечение для агротехнологических процессов. Созданная на основе современных распространенных информационных технологий и технических средств система земледелия (или «информационное» земледелие) обеспечит поддержку решений специалистов и автоматизацию проведения агротехнологических операций с целью более эффективного ведения хозяйства.
1. Исследования в области с.‑х. производства свидетельствуют о том, что дальнейшее применение технологий и технических средств, базирующихся на существующей концепции землепользования, ведет к экспоненциальному росту затрат невосполнимой энергии на каждую дополнительную единицу продукции.
2. Выделенную проблему в значительной степени можно решить за счет использования технологий управляемого (точного) земледелия, которые в свою очередь базируются на информационно‑коммуникативных системах и средствах управления.
3. Создание технических решений для точного управляемого земледелия может базироваться на адаптации и использовании программно‑аппаратного комплекса различных технологий повседневного назначения. Это позволит существенно повысить эффективность производства и снизить себестоимость продукции.
1. Кравчук В. Пріоритетні напрямки наукових досліджень в прогнозуванні, випробуванні та сертифікації техніки та технологій для АПК. // «Техніка АПК», № 1, 2008. – С. 6–7.
2. Маковецький О., Осіпов М. Нівелювання негативного впливу зовнішнього середовища на результати сільськогосподарського виробництва. // «Техніка АПК», № 1, 1999. – С. 39–40.
3. Войтюк Д.Г. Технічні проблеми «точного землеробства» в Україні. // «Вісник аграрної науки», № 9, 2000. – С. 41–46.
4. Марченко Н.М., Личман Г.И. Машинные технологии для дифференцированного внесения удобрений. // «Тракторы и сельскохозяйственные машины», № 12, 1999. – С. 32–34.
5. Аніскевич Л., Гаврилюк Г., Ямков О. Система точного землеробства: ефективність і веління часу. // «Пропозиція», № 6, 2000. – С. 96–97.
6. Шевченко И.А., Пашко А.А. Применение информационных технологий в сельскохозяйственном производстве. // «Техніка АПК», № 8, 2000. – С. 8–19.
7. Баранов Б.Л., Макаров А.В. Структурное моделирование сложных динамических сис- тем. Киев: Наукова думка, 1986. – 272 с.