ГІС – технологи у рослинництві

Вітчизняним сільгоспвиробникам дедалі важче конкурувати із західними аграріями. Особливо дана ситуація погіршилася після вступу України до СОТ. Часто сільськогосподарська продукція (овочі, фрукти і т. д.) привезена за тисячі кілометрів, у вартість якої входять витрати на транспортування, виявляється дешевшою, ніж вирощена на території Україні. Зрозуміло, що умови конкурентної ринкової стихії змушують іноземних фермерів брати на озброєння найкраще, що пропонує сучасна наука.

Бурхливий розвиток в останні роки обчислювальної техніки та інформаційних технологій, точних геоінформаційних та картографічних систем створив умови для поширення досягнень інформатизації на сферу виробництва продукції рослинництва з метою її оптимізації.

На разі можливості екстенсивного та інтенсивного розвитку рослинництва практично вичерпані. Гостро постала проблема розумного використання наявних природних ресурсів, збереження їх для наступних поколінь.

Все це має місце і в Україні. Основні можливості збільшення продуктивності рослинництва тепер пов'язують із суворим виконанням рекомендацій науково-обгрунтованої інтенсивної технології щодо вимог за часом, місцем та кількістю витратних матеріалів на проведення операції. Сприяти дотриманню цих вимог повинне належне інформаційне забезпечення.

Незважаючи на теперішній кризовий стан сільського господарства України, впровадження сучасних інформаційних технологій актуальне і неминуче. Воно вже почалося у найбільш міцних господарствах, число яких в Україні неупинно зростає. Зрозуміло, що впровадження потребує витрат, розробок виробництва та поставок відповідної техніки, але все це цілком під силу науковцям та виробникам України при достатній підтримці з боку держави та зацікавлених кіл.

Застосування інформаційного підходу до управління дає змогу на основі науково-обгрунтованої технології для обраної культури визначити та реалізувати у господарстві оптимальну технологію формування врожаю, адаптовану до місцевих умов. Її практична реалізація пов'язана із суворим контролем за фактичним ходом агротехнологічного процесу, накопиченням та врахуванням місцевого досвіду.

Згідно твердження В. П. Гарам та А. О. Пашко (2005) моніторинг забезпечує контроль за дотриманням технології при роботах у полі, прогноз врожаю та корективи запланованих дій, спрямованих на врахування реальних умов, які складаються у вегетаційний період, включаючи організацію збирання врожаю та підбиття підсумків господарського року.

Система точного землеробства (СТЗ) дає змогу не тільки отримувати дешевшу продукцію кращої якості, а й знижувати шкідливе агротехногенне навантаження, за рахунок зменшення витрат пестицидів, добрив тощо. Точне землеробство (Précision Farming (Agriculture)) – це система взаємоузгодження заходів, що грунтуються на оптимізації використання технологічних матеріалів (насіння, добрив, засобів захисту, регуляторів росту рослин) та агрозаходів на конкретній ділянці поля, відповідно до вимог певної сільськогосподарської культури, стану грунту і збереження довкілля, враховуючи унікальні особливості кожної елементарної ділянки поля.

Комплексні технології виробництва сільськогосподарської продукції (Précision Farming), стали активно розвиватися за кордоном ще в кінці 90-х років і визнані світовою сільськогосподарською наукою, як досить ефективні передові технології, що переводять агробізнес на більш високий якісний рівень.

За різними причинами технології точного землеробства в нашій країні стали розвиватися тільки на разі, процес іде досить повільно, але, безумовно, майбутнє – за ними.

Принципи точного землеробства надають нового змісту застосуванню інтенсивних технологій, без погіршення якості довкілля, за рахунок реалізації адаптивного потенціалу виду, сорту, агробіоценозу, тобто їх біологічної здатності пристосовуватись до умов навколишнього середовища. Щоб реалізувати адаптивний потенціал рослин, треба повністю використати їхні біологічні можливості не тільки для підвищення потенційної продуктивності за сприятливих умов середовища, а й для збільшення екологічної стійкості (протистояння суховіям, посухам, морозам, низьким температурам). За таких умов зростатиме потенційна продуктивність сорту, агробіоценозу, що розглядається як вирішальний чинник збільшення врожайності.

Точне землеробство – це новітні вдосконаленні технології із виробництва сільськогосподарської продукції.

Науковий та технічний прогрес дає змогу сьогодні широко застосовувати в сільському господарстві сучасні технології планування та використання агротехнологій. На разі широко використовуються бортові комп'ютери, СРБ-приймачі, методи дистанційного зондування, геоінформаційні системи (ГІС).

Поступовий перехід до практичного впровадження точного землеробства є виявом загальної тенденції зростання ролі інформаційних технологій в усіх сферах життєдіяльності людини, а у виробництві дає змогу істотно піднести його технічний та організаційно-управлінський рівень, за рахунок високої оперативності та багатопараметричності рішень, які приймаються.

Одним із головних шляхів вирішення завдань землеробства є просторово-часова оптимізація умов для рослин. Точне землеробство у сучасному розумінні переважно орієнтоване на просторову оптимізацію. Для цього потрібно, по-перше, забезпечити рівномірне розміщення рослин у полі, що за рядкової сівби означає – на однаковій відстані. Цим створюють однакові площу й об'єм живлення для рослин. По-друге, добрива, пестициди треба вносити так, щоб забезпечити рівноцінні умови для рослин. Однак, високі точність і рівномірність застосування технологічних матеріалів, внаслідок використання досконалішої техніки, не гарантують створення однакових умов для рослин, оскільки на різних ділянках поля вони можуть опинитися в нерівнозначних умовах, у зв'язку з варіабельністю грунтового покриву і властивостей ґрунту, забур'яненості поля і заселеності його шкідниками тощо. Це, в свою чергу, може призвести до розриву в темпах росту і розвитку рослин, формування різного за якістю врожаю, неодночасності його достигання. Отже, завдання полягає у здійсненні технологічних заходів, відповідно до потреб рослин та фітосанітарної ситуації стану посівів на кожній елементарній ділянці поля, для чого потрібні його детальні картограми з даними про запас елементів живлення, густота бур'янів, стан рослин, біологічна урожайність тощо.

Точне землеробство передбачає: 1) детальне картографування поля за основними агротехнічними параметрами; 2) координатне прив'язування машинно-тракторних агрегатів до поля; 3) точне виконання технологічних заходів відповідно до особливостей елементарних ділянок поля.

Точне землеробство включає в себе багато елементів, які можна поділити на три основних етапи:

• – збір інформації про господарство, поле, культуру, регіон;
• – аналіз інформації і прийняття рішень;
• – виконання рішень – проведення агротехнологічних операцій.

Основними складовими СТЗ є географічна інформаційна система

(FIC, GIS), диференційована глобальна система позиціонування (ДГСП, DGPS) та технологія змінних норм внесення (ЗНВ, VRT).

Географічна інформаційна система (Geographic Information Sуstem, GIS) – це система комп'ютерних апаратних засобів та програмного забезпечення, призначена для збирання та обробки даних щодо агротехнологічних параметрів елементарних ділянок поля.

Інформацію можна збирати відбиранням проб у полі (наприклад, для визначення агрохімічних показників) з наступними обробкою результатів аналізів і прив'язуванням їх до координат місць відбирання. Створено оптичні прилади з безконтактними датчиками, за допомогою яких в інфрачервоному випромінюванні з літаків або супутників фотографують поля. Інформація з характеристиками параметрів накопичується в базі даних (Data base), використовується для складання тематичних карт (Thematic map) урожайності, вмісту елементів живлення, норм внесення технологічних матеріалів тощо.

Диференційована глобальна система позиціонування (Differential Global Positioning Sуstem, DGPS) – радіонавігаційна супутникова система, спеціально скоригована для визначення місцезнаходження стаціонарних і мобільних об'єктів у трьох світових координатах (довгота, широта, висота) з точністю до десятків сантиметрів. Є поліпшеним варіантом глобальної системи позиціонування (GPS – Global Positioning Sуstem). Global Positioning Sуstem – глобальна система позиціонування, що дозволяє в будь- якому місці Землі визначити місцезнаходження та швидкість об'єктів. На їх основі розроблені системи паралельного водіння та автопілоти для управління рухом тракторів та комбайнів.

Найпростіший прилад складається з термінала-супутникового приймача, що встановлюється в кабіні трактора на лобовому склі (або в будь якому іншому зручному місці) та показує трактористу, як вирулювати кермо щоб трактор/агрегат рухався якомога рівнішими лініями.

Для того, щоб зрозуміти необхідність застосування пристроїв паралельного водіння і створення системи координат, наведемо такий приклад, при проведенні технологічної операції із догляду за рослинами – внесення інсектицидів, 18 метровий обприскувач повинен рівномірним шаром покрити поле. Щоб тракторист їхав не ”на глазок” на полі розставляють маяки (працівники, які відміряють лінії рівні ширині агрегату) на які, в свою чергу, орієнтується механізатор. На практиці звичайно все складніше і після обробітку агроном стикається з такими проблемами, як пропуски та перекриття.

Як би сумлінно працівник не відміряв лінію він все одно помиляється. І відстань між лініями може бути і 17, і 19 метрів. Звичайно на полі використовується щонайменше 2 маяки, кожен з них помиляється по-своєму. Крім того помиляється і сам механізатор, адже маяк може знаходитись на відстані до півкілометра, а то і більше. Знову ж виникають пропуски та перекриття.

У реальній роботі Ви ніколи не побачите ідеального малюнка обробки поля, зазвичай це виглядає так:

Рис. 9. Помилки механізатора: де dпроп – пропущені ділянки; dпер – перекриті ділянки

Результатом подвійного внесення пестицидів є пригнічення рослин. А пропуски – це неефективне використання площі, труднощі, що виникають при збиранні урожаю, полігон для розмноження бур'янів.

Важко працювати на пізніх стадіях вегетації рослин, коли піна провалюється. Крім того на якість використання пінного маркера впливає вітер – піна лягає не рівно. Для пінного маркера необхідні витратні матеріали – піноутворююча хімія, яку складно зберігати у господарстві.

Не найкращий вихід забезпечує і використання пінного маркера, при довжині штанги в дев'ять метрів оператор просто не бачить, кінець штанги йде саме над маркером, або ні.

Останній момент необхідності застосування навігаторів, це час внесення хімії. В 70 відсотках випадків, хімію бажано вносити при температурі 17-20 С° у безвітряну погоду, щоб досягти максимального ефекту. Працювати вночі використовуючи маяки неможливо.

Рис. 10. Помилки механізатора при використанні орієнтирів

Використання найпростіших систем паралельного водіння дає змогу працювати вночі або при поганій видимості, зменшити перекриття з 1,5 м (звичайна величина) до 30 см, на полі площею 100 гектарів, загальне перекриття зменшується з 7,5 до 1,5 гектара.

Це простий приклад використання систем GPS-навігацїї. Окремо варто розповісти про більш складніші системи – автопілоти.

Наприклад, власник має потужний трактор (300 к. с.) та 12 метрову сівалку, навіть важко уявити маркер завдовжки 6 метрів. А якщо це технологія ”мінімального обробітку” і слід маркера практично не видно? Тому в цьому випадку найкраще використовувати GPS-систему, але більш складнішу – автопілот з підключенням до гідравліки та системою компенсації кута нахилу. Неточності посіву, пов'язані з помилками механізатора та складним рельєфом поля, будуть мінімальними. Зменшення участі водія безпосередньо у процесі керування дає можливість підвищити швидкість до максимально можливої без зниження якості. Водію достатньо тільки розвернути трактор в кінці загінки решту система зробить сама. Окрім підвищення точності роботи, це дасть змогу механізатору приділяти більше уваги агрегату. І, нарешті, можливість працювати вночі (друга зміна) дозволить ефективніше використовувати дорогу техніку, прискорити процес амортизації та вчасно провести посів.

Необхідно також сказати про найбільш дорогі системи, які можна використовувати у дуже великих господарствах, де складно проконтролювати якість виконаної роботи. Основною відмінністю їх с використання більш складного терміналу. Такий прилад отримує завдання з персонального комп'ютера агронома. Зазвичай зміст завдання – це назва конкретного поля, його площа, орієнтовний час роботи, ім'я механізатора, тощо. Після виконання наряду, тракторист віддає картку оператору, який переносить ці дані на ПК. В свою чергу спеціальна програма проводить аналіз виконаної роботи: час, швидкість, наявність/відсутність перекриття або пропусків і т. п.

Радіонавігаційні системи в своїй роботі використовують супутниковий зв'язок. Відомо, що навколо земної поверхні, на 6-ти орбітах рухається 24 супутники (активних) (рис. 4.). Швидкість сигналу, що надсилає супутник 300 000 км/с. Для визначення місця розташування об'єкта потрібно сигнал трьох супутників, для визначення положення над рівнем моря чотирьох, для роботи за точним землеробством шести.

Існують такі види сигналів: 1) безкоштовні; 2) платні; 3) базові станції та РТК.

Взаємне розташування супутників, відслідковується приймачем, постійно змінюється в міру їх руху на орбітах. Конфігурація супутників оцінюється параметром DOP (Dilution of Precision – втрата, послаблення точності). В загальному вигляді, при DOP < 4 приймач GPS забезпечує достатню точність визначення місцезнаходження. Чим більше супутників знаходиться в зоні видимості приймача, тим більша точність визначення координат буде забезпечуватися.

Рис. 11. Штучні супутники Землі

Для сигналів із супутників існують класи точності:

Рис. 12. AGROCOM BASELINE

I клас точності, це найбільш точне визначення місцезнаходження об'єктів, забезпечується він стаціонарними радіостанціями (RTK – Real-Time Kinematics – кінематика в реальному часі). RTK – місцева стаціонарна станція, має радіус дії до 50 км, точність ±3 см та Base Line (рис. 5) агрокомівська місцева станція, працює вона в радіусі 5 км, точність ±5 см.

Базова станція дає змогу проводити всі види сільськогосподарських робіт, у тому числі точний посів, локальне внесення добрив і точну культивацію просапних культур. За допомогою даної системи можна із року в рік дотримуватись однієї і тієї ж технологічної колії' або попадати в одні і ті ж рядки, щоб сіяти "слід в слід" декілька років.

Стаціонарні радіостанції являють собою валізки вагою до 4 кг, в яких знаходяться GPS-приймач, радіомодем і антена.

Проблемою їх використання є висока вартість станцій (близько 25 тис. євро, станом на 2010 р.).

II клас точності, забезпечується ліцензійним, платним сигналом від супутника Omnistar. В залежності від типу підписки Omnistar забезпечує декілька рівнів точності: VBS та НР/ХР.

VBS (віртуальна базова станція) дає майже таку ж точність, як EGNOS – ±15-20 см. Цього достатньо, щоб якісно проводити обприскування або внесення добрив. Підписка на VBS коштує до 1,5 тис. євро в рік, або 3 євро за годину (при замовлені не менше 150 годин).

НР/ХР забезпечує точність ±5-10 см. Використовує супутникову навігацію для посіву просапних культур, подальшого обробітку рядків

і складання карти полів та урожайності. Річна вартість НР/ХР коштує на порядок дорожче. Щоб користуватися сервісом VBS та НР/ХР, потрібно мати GPS-приймач, який підтримує такі послуга, або удосконалювати GPS-приймач початкового рівня, добавивши до нього спеціальну антену і програмне забезпечення.

III клас точності, дають американські супутники EGNOS (European Geostationarу Navigation Overlaу Services – система широкозонної диференціальної навігацїї)/WAАS та E-Dif (рис. 6).

Цей сигнал безкоштовний, забезпечує точність до ±15 см, дає змогу проводити внесення агрохімікатів, боронування та посів. Крім того можна визначати площу полів та слідкувати за технікою, яка працює в полі.

IV клас точності, це GPS – Global Positioning Sуstem сигнал. Він забезпечує точність ±100 см.

На точність сигналу під час роботи в полі впливає багато факторів: лісосмуги, елементи рельєфу, лінії електропередач та ін.

Тому на практиці точність сигналу протягом робочого часу корегується.

Перед тим як обрати з яким сигналом необхідно працювати треба зважити всі за і проти.

Рис. 13. Outback S2 і RTK мобільна станція при роботі з сигналом EGNOS або EDIF

Для невеликого господарства можна використовувати прилад з ручним керуванням та точністю 30 см, що встановлюється на МТЗ який агрегатується з широкозахватним агрегатом, як то обприскувач або розкидач добрив.

Власнику, що має потужний імпортний трактор та бажає вести посів не просапних культур,щоб використовувати його на всі сто відсотків, потрібен автопілот з безкоштовним або платним сигналом.

Підприємству, що використовує 2-5 автопілотів варто використовувати базову станцію або РТК.

Найбільш поширеними системами паралельного водіння є: CLAAS GPS COPILOT, TeeJet Centerline, E-DRIVE S2, OUTBACK S 3, EУE-DRIVE, DUO-DRIVE та інші.

Точне управління сільським господарством починається з управління сільськогосподарськими машинами, яке здійснюється за візуальної підтримки автоматичного управління сільськогосподарськими манганами паралельно до визначеної граничної лінії (лінія A-Б рис. 14 та 15) та проходження машини паралельно контурам поля.

За допомогою такого водіння можна зробити паралельні прямі та криві, а також кругові та спіральні ряди. Якщо на полі є перешкоди (наприклад, осередок з деревами), то пристрій призупинить паралельне водіння та об'їде його, а потім продовжить виконувати ряд. Можна ускладнити задачу, задаючи зону розвороту на краях поля. Тоді пристрій розраховує поворот і буде орієнтуватися, коли та як повертати. При встановленні такої системи на трактор механізатор спостерігає за показниками пристрою в середині кабіни та слідкує тільки за тим, щоб на полі не зустрілося каміння та інші крупні перешкоди.

Рис. 14 та 15. Проходження сільськогосподарського агрегату паралельно контурам та поворотам поля

CLAAS GPS COPILOT дає змогу працювати вночі та при поганій видимості на безкоштовних сигналах E-Dif (більш точний сигнал) та EGNOS (стандартний сигнал для систем паралельного водіння). Має точність ±15 см.

E-DRIVE S2 дає можливість виконувати внесення пестицидів, добрив, проводити Грунтообробні операції, скошування, посів та збирання врожаю.

OUTBACK S 2 (рис. 16) – новітня система паралельного водіння з гідравлічною системою підрулювання, системою компенсації нахилу трактора та базовою станцією. Базова станція дає точність 5–10 см, має необмежений час роботи, що дає змогу здійснювати високоякісний посів просапних культур.

EУE-DRIVE дає можливість проводити захист рослин, внесення добрив, грунтообробні операції, скошування, посів, висаджування картоплі, збір врожаю.

Забезпечує рух по колії, гребенях, борознах, рядках і валках.

Рис. 16. Система паралельного водіння OUTBACK S 2 з гідравлічною системою підрулювання

Використання пристроїв паралельного водіння надає наступні переваги:

• • максимально використовується ширина агрегату, перекриття рядків зводиться до мінімуму;
• • дає змогу працювати вночі та при низькій видимості – збільшуючи при цьому коефіцієнт завантаженості техніки (продуктивність техніки може збільшитись на 15-20%);
• • виключає необхідність додаткових матеріалів для маркування рядків;
• • підвищує швидкість руху агрегатів та комфортність роботи водія.

Не можна не згадати, також, про системи візуального водіння, що не використовують супутники, а обладнанні цифровими камерами і мають точність ±3-5 см (рис. 17). LASER PILOT за допомогою лазерного променя визначає іраниці рядків і на основі отриманих сигналів направляє зернозбиральний комбайн, оптимально використовує при цьому жатку. Ця система забезпечує високу експлуатаційну надійність навіть при роботі із полеглими зерновими та вночі, оптимально використовує ширину захвата жатки, збільшує точність визначення площі і розташування врожаю, підвищує продуктивність скошування.

Система паралельного водіння пропонує активну участь механізаторів в управлінні машиною, а автопілот дає змогу автоматизувати процес управління. Автопілоти бувають двох рівнів: повністю автоматична система, коли участь механізатора не вимагається, і система допоміжного управління (підрулюючий пристрій).

Рис. 17. Система візуального водіння LASER PILOT

При роботі з підрулюючим пристроєм механізатору потрібно слідкувати за перешкодами на шляху та брати управління на себе в кінці ряду, коли потрібно розвернутися.

Дякуючи сучасним камерам стало можливим повністю автоматичне управління навіть при русі техніки по коліям, рядах та гребнях. Це дає суттєві переваги при роботі із вертикальними культурами. Результатом стає суттєва частка збереження рослин, особливо таких цінних рядкових культур, як суниця, спаржа, картопля і т. д. (рис. 18).

За допомогою унікальної трьохвимірної камери система CLAAS САМ PILOT регіструє просторову структуру поля перед трактором.

Автоматично і не травмуючи рослин вона направляє машину по рядах, коліях, гребенях, валках і борознах.

Для того щоб зрозуміти необхідність використання приладів

паралельного водіння в сучасному рослинництві, наведемо

економічний розрахунок витрат пов'язаних з вирощуванням сільськогосподарських культур на прикладі ріпаку, пшениці,

соняшнику та ярого ячменю (табл.

6), згідно даних компанії "Агро ІТ".

Рис. 18. Система CLAAS САМ PILOT