Геоинформационные системы как базовый компонент ресурсосберегающих технологий в агропромышленном производстве



Точное земледелие — научная концепция и направление в аграрном производстве, в основе которого лежат представления о существовании неоднородности почвенного плодородия в пределах одного поля, учет специфики которого позволяет максимизировать прибыль путем дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений. Точное земледелие представляет собой высшую форму адаптивно-ландшафтного земледелия, основанного на наукоемких агротехнологиях с высокой степенью технологичности. Для оценки и детектирования неоднородностей в пределах поля используются новейшие технологии, такие как:

‒ системы глобального позиционирования;

‒ специальные приборы (почвенные пробоотборники, мобильнее лаборатории) и датчики (урожайности, влажности и т. д.);

‒ аэрофотоснимки и снимки полей со спутников;

‒ специальные аппаратно-программные комплексы, создаваемые на базе геоинформационных систем и технологий.

Собранные данные используются для планирования высева, расчета норм внесения удобрений и средств защиты растений, более точного предсказания урожайности и финансового планирования. Следуя этим идеям, применяют технологии переменного или дифференцированного внесения удобрений на тех участках поля, где потребность в определенной норме удобрений выявлена агротехнологом при помощи карт агрохимобследования и урожайности. Поэтому в некоторых участках поля норма внесения или опрыскивания становится меньше средней, происходит перераспределение удобрений в пользу участков, где норма должна быть выше, и, тем самым, оптимизируется внесение удобрений. Точное земледелие может применяться для улучшения состояния полей и агроменеджмента, по нескольким направлениям:

‒ агрономическое — с учетом реальных потребностей культуры в удобрениях, то есть совершенствуется агропроизводство;

‒ техническое — совершеннее управление рабочим временем на уровне хозяйства, улучшается планирование сельскохозяйственных операций;

‒ экологическое — сокращается негативное воздействие аграрного производства на окружающую среду;

‒ экономическое — рост производительности и/или сокращение затрат повышают эффективность аграрного производства.

Осуществляемая электронная запись и хранение истории полевых работ и урожаев может помочь, как при последующем принятии решений, так и при составлении отчетности о производственном цикле, которая все чаще требуется законодательством в развитых странах.

Электронная карта поля дает возможность сохранить результаты анализа почвы в виде слоя. Также могут быть реализованы и другие слои: предшествующие культуры, удельное сопротивление почвы, кислотность, и т. д.

Электронные карты полей могут быть созданы преимущественно двумя способами:

‒ оцифровка контуров методом объезда полей с GPS-приемником, установленном на автомобиле или тракторе;

‒ выделение и оцифровка границ полей по растровым аэрофотоснимкам либо космическим снимкам.

При этом растровый снимок, который подвергается векторизации (например, при помощи векторизатора Easy Trace рязанской компании Easy Trace Group), должен быть правильно откорректирован и обладать приемлемым разрешением, в противном случае качество векторизации или оцифровки полей по снимку будет неудовлетворительным.

Неоднородности внутри поля зависят от множества факторов: погодных явлений и климата характеристик почвы (грануляционный состав, мощность гумусового слоя, обеспеченность азотом), способов обработки почвы (нулевая обработка, минимальная обработка), а также засоренности полей и заселенности их болезнями и патогенами. Показатели-константы, главным образом, относящиеся к характеристикам почвы, дают информацию о базовых экологических постоянных. Точечные показатели позволяют отслеживать состояние культуры и биомассы, например, понять, насколько та или иная болезнь влияет на развитие культуры и урожайность, страдает ли культура от недостатка воды, нехватки азота в почве, либо от поражения какой-либо болезнью, повреждена ли она заморозками и тому подобное.

Измерение электропроводности почвы, совмещенное с анализом механического и химического состава почвы, позволяет создать точную карту агроэкологических условий.

Используя карты агрофизико-химических показателей почвы можно реализовать различные стратегии для оптимизации затрат:

‒ основываясь на анализе статических индикаторов (почвенных показателей, электропроводности, истории полей и т. д.) в течение фазы развития культуры спрогнозировать затраты (прогностический подход);

‒ контролирующий подход, когда информация от статических индикаторов регулярно обновляется (мониторинг) в течение фазы развития культуры в результате следующих исследований:

‒ отбор образцов: взвешивания биомассы, измерения содержания хлорофилла в листьях, взвешивания плодов, и т. д.;

‒ дистанционного определения параметров: температуры, влажности, скорости и направления ветра, диаметра стеблей;

‒ контактного детектирования: возимые сенсоры биомассы; потребуется объезд полей по контурам;

‒ аэро- или космические съемки обработка мультиспектрального снимка для выделения биофизических параметров культуры.

Новые информационные и коммуникационные технологии позволяют легко и обоснованно управлять культурами на уровне поля. Принятие решений в сфере современного сельскохозяйственного производства требует специальной техники и машин, которые бы поддерживали технологии переменного внесения, например, переменного дозирования семян либо дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений.

Для внедрения точного земледелия необходимо следующее оборудование, устанавливаемое на тракторах, опрыскивателях, комбайнах и т. п.:

‒ система позиционирования (например, на основе GPS/ГЛОНАСС навигационных спутниковых приемников);

‒ аппаратно-программная система, которая интегрирует все доступные данные в разных форматах, в слоях и из различных источников, включая данные с различных датчиков и экспертные оценки агронома;

‒ оборудование для отбора проб почвы;

‒ оборудование для переменного дозирования (интегрированное в сеялку, разбрасыватель, опрыскиватель).

Статичная базовая станция расположена на одном месте и оснащена двухчастотной технологией приема сигнала. Она посылает корректирующий сигнал любому числу машин, расположенным в радиусе 15–20 км.

Проведению изыскательских работ предшествует обмер полей и производственных участков с помощью ГЛОНАСС/DGPS-систем и составление электронной карты существующей полевой инфраструктуры.

Результаты почвенно-ландшафтного картографирования и агроэкологической оценки земель выражаются в виде агрогеоинформационной системы, включающей набор электронных карт.

Карта форм иэлементов рельефа отражает структуру ландшафтов и почвенно-ландшафтные связи.

Картограмма крутизны склонов используется для оценки потенциального стока и эрозионной опасности. Определяет подбор культур, выбор севооборотов, систем обработки почвы, противоэрозионных мероприятий.

Картограмма LS-фактора является интегральным показателем длины и крутизны склонов, который получают с помощью анализа цифровой модели рельефа. Он отражает емкость транзита жидкого, ионного и твердого стока, т. е. непосредственную эрозионную обстановку территории.

Картограмма экспозиций склонов предназначена для оценки теплообеспеченности и влагообеспеченности. На южных склонах сильнее проявляется весенний сток воды в связи с более интенсивным снеготаянием.

Карта форм склонов используется для оценки эрозионной опасности.

Карта микроструктур почвенного покрова отображает элементарные почвенные ареалы и микрокомбинации, связанные с микрорельефом и неоднородностью почвообразующих пород.

Карта почвообразующих иподстилающих пород составляется для условий значительного разнообразия почвообразующих пород и близкого к поверхности расположения подстилающих пород.

Карта гранулометрического состава почв имеет важное значение при подборе культур, а также при выборе системы обработки почвы.

Карта солонцеватости почв отображает комплексы почв с различным участием солонцов, а также сочетания и вариации несолонцеватых почв и почв различной степени солонцеватости. Используется для подбора культур в соответствии с группировками растений по солонцеустойчивости.

Карта засоленности почв используется для подбора культур в соответствии с региональными шкалами солеустойчивости растений и для дифференциации агротехнологий.

Карта гидрогеологического режима почв. В зависимости от глубины залегания и качества грунтовых вод решаются задачи подбора культур, выбора севооборотов, агротехнологий и при необходимости осушительных мелиораций.

Карта потенциальной уплотняемости почв показывает почвы, склонные по различным причинам к повышенному уплотнению.

Карта фактического подпахотного уплотнения почв показывает почвы, имеющие плужную подошву.

Карты содержания гумуса, кислотности, содержания подвижных фосфора и калия используются для расчета доз мелиорантов и удобрений.

Далее, путем взаимного наложения полученных карт, формируют поля севооборотов, которые выделяются в пределах агроэкологических типов земель, и производственные участки в этих полях, которые отличаются от фоновых земель по определенным агроэкологическим параметрам и требуют специальных мероприятий. Дальнейшее проектирование включает разработку систем севооборотов, пастбищеоборотов; систем обработки почвы, удобрения и защиты растений, системы машин. Затем разрабатываются пакеты агротехнологий для различных уровней интенсификации (экстенсивные, нормальные, интенсивные, точные). Создание проекта адаптивно-ландшафтного земледелия сопровождается разработкой электронной книги истории полей. Она включает в себя все электронные карты и состоит из двух подсистем: агрономической и подсистемы мониторинга техники. Агрономическая подсистема обеспечивает ввод, хранение, отображение и анализ сведений о посевных площадях.

Сложившийся опыт агроэкологической оценки земель и проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия для крупных сельскохозяйственных предприятий в различных природно-сельскохозяйственных зонах и провинциях свидетельствует о необходимости разработки региональных агрогеоинформационных систем.

Литература:

1. Полухин А. А., Алпатов А. В., Ставцев А. Н. и др. Организационно-экономические основы энергосбережения в сельском хозяйстве / Монография Орел, 2013.
2. Польшакова Н. В. Навигационные системы для сельскохозяйственной техники // Молодой ученый. 2014. № 4. С. 432–434.
3. Коломейченко А. С., Польшакова Н. В. Эколого-экономическая эффективность использования земельных ресурсов В сборнике: Стратегия устойчивого развития экономики в динамичной конкурентной среде // материалы Международной научно-практической конференции. 2011. С. 383–386.
4. Польшакова Н. В., Котова Е. И., Черникова К. С. Использование геоинформационных технологий в мониторинге сельскохозяйственных земель // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2014. № 12–2. С. 330–332.
5. Бышов Н. В., Бышов Д. Н., Бачурин А. Н., Олейник Д. О., Якунин Ю. В. Геоинформационные системы в сельском хозяйстве — Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2013–169с.