Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Автоматизация применения и методика совершенствования способов определения доз удобрений в системе точного земледелия

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Автоматизация применения и методика совершенствования способов определения доз удобрений в системе точного земледелия"

На правах рукописи

Конев Алексей Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И МЕТОДИКА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЗ УДОБРЕНИЙ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 О НОЯ 2014

Санкт-Петербург - 2014

005555466

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Агрофизическом научно-исследовательском институте Россельхозакадемии

Научный руководитель:

Буре Владимир Мансурович

доктор технических наук, профессор кафедры математической теории игр и статистических решений, факультет прикладной математики и процессов управления, Санкт-Петербургский Государственный Университет

Официальные оппоненты:

Царенко Василий Павлович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения и агрохимии Санкт-Петербургского государственного аграрного университета

Иванов Тимофей Сергеевич

кандидат технических наук, заведующий отделом «Геоинформационные системы и технологии» Всероссийского НИИ гидротехники им. Б. Е. Веденеева

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева»

Защита диссертации состоится «10» декабря 2014 г. в _ часов в актовом зале ГНУ

Агрофизический научно-исследовательский институт на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, тел/факс +7(812) 5341324.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института и на сайте http://www.agrophys.ru, с авторефератом - на сайте http://vak.ed.gov.ru и http://www.agrophys.ru.

Автореферат разослан « » СкТУЛр-Р 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, ГНУ АФИ Россельхозакадемии.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 006.001.01 доктор биологических наук

_ Е.В.Канаш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Анализ тенденций, наблюдавшихся в мировом земледелии на протяжении минувшего столетия, показывает, что основной вектор его развития направлен на повышение продуктивности сельскохозяйственных угодий, прежде всего пахотных земель, и улучшение качества продукции. Так, за 40-летний период (с 1950 по 1990 гг.) благодаря достижениям селекции, улучшению агротехники и применению минеральных удобрений в мире было утроено производство зерна (с 630 млн. т. до 1,8 млрд. т.) без существенного увеличения посевных площадей. Наряду с правильной обработкой почвы и применением средств защиты растений, без чего нельзя рассчитывать на получение высоких и устойчивых урожаев, удобрениям и агрохимикатам в агротехнологическом комплексе отводится ведущая роль. По результатам статистической обработки данных ФАО, в 39 странах мира коэффициент корреляции между индексом урожайности и потреблением удобрений составляет 0,83, что указывает на тесную зависимость уровня производства сельскохозяйственной продукции от применения минеральных удобрений. Однако поддержка постоянного роста урожайности культур и качества продукции в рамках традиционного подхода к применению минеральных удобрений нередко является невыполнимой задачей в силу экономических, экологических причин и биологических особенностей растений. Тем не менее, достижения современной сельскохозяйственной науки позволяют в значительной мере снизить данное противоречие. Этому в первую очередь, способствует такой агротехнический прием как пространственно дифференцированное применение удобрений и агрохимикатов на основе почвенно-растительного мониторинга. Данный прием получил развитие и методологическое обеспечение в рамках прецизионных сельскохозяйственных технологий (технологий точного земледелия). Развитие прецизионных технологий обусловлено, в первую очередь, появлением систем глобального позиционирования, а также сельскохозяйственной техники, способной дифференцированно управлять технологическими операциями. Применение средств точного земледелия позволяет с заданной точностью выявлять пространственную неоднородность свойств почвы и посевов в пределах

пахотного контура и адаптировать к ней оптимальный уровень технологического воздействия.

Анализ существующих программных средств показал, что в настоящее время на рынке не существует разработок, полностью реализующих информационную поддержку прецизионного внесения удобрений, позволяющих интегрировать знания и опыт специалистов в области агрономии, биологии и других отраслей науки с целью их практического применения. Эффективность прецизионного применения удобрений в первую очередь достигается за счет выработки оптимальных агрохимических решений на основе менеджмента обширного информационного массива, генерируемого в ходе почвенно-растительного мониторинга. Для решения данной задачи необходимо развитие специализированных компьютерных средств информационного обеспечения точного земледелия, основанных на знаниях, компьютерных методах поддержки принятия решений. Функционал подобных систем позволит интегрировать знания и опыт специалистов в области агрохимии и тем самым облегчить работу персонала хозяйств по практическому применению прецизионных технологий.

В ходе выполнения работ на различных стадиях технологий точного земледелия генерируется большой объем информации (агрохимические, почвенные карты, карты урожайности и т.д.), которая помимо практических задач может применяться и в исследовательских целях. Прецизионные технологии могут использоваться для проведения активных экспериментов с искусственно созданной пространственной неоднородностью. Создание специализированных программных средств по информационному обеспечению прецизионных экспериментов открывает перспективы для совершенствования методик определения доз удобрений, адаптированных под конкретное хозяйство или даже под конкретное поле.

В этой связи, проведенные в ходе выполнения диссертации исследования являются весьма актуальными. Полученные результаты были направлены на разработку отечественной информационно-технологической платформы прецизионного применения удобрений.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методологических основ и создании специализированного программного инструментария для автоматизированного применения способов определения доз удобрений, их прецизионного внесения в полевых условиях и системного совершенствования нормативной базы расчетов.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• Изучить современное состояние научного обеспечения применения удобрений, используемые на практике методы расчета доз удобрений и опыт применения программно-аппаратных средств по дифференцированному внесению удобрений;

• Создать специализированный программный комплекс на основе геоинформационных технологий для обеспечения работ по прецизионному внесению удобрений. Наиболее значимыми компонентами комплекса являются следующие модули:

- модуль управления разнородными атрибутивными и

пространственными данными, включая их визуализацию и обработку;

- модуль формализации методов расчета доз удобрений;

- модуль генерации электронных карт-заданий для основного

дифференцированного внесения удобрений и прецизионных азотных

подкормок;

• Разработать методологический подход проведения прецизионных экспериментов и программно реализовать функционал, обеспечивающий их информационное сопровождение;

• Изучить возможность использования созданного программного комплекса для геоинформационного обеспечения исследований в рамках регионального мониторинга земель сельскохозяйственного назначения.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем: -исходя из оценки современных направлений научного обеспечения применения удобрений и перспективности их использования в системе точного земледелия разработана концепция и принципы построения, впервые создан и апробирован специализированный программный комплекс, обеспечивающий создание, наполнение, систематизацию проблемно-ориентированных баз

данных и знаний, хранение в соответствующих структурах в формализованном виде конструкций методов расчета доз удобрений для их последующего прецизионного применения в производстве, включая генерацию и реализацию электронных карт-заданий бортовыми системами сельскохозяйственных агрегатов в полевых условиях;

- впервые разработана методика и программное обеспечение планирования полной факториальной схемы и проведения прецизионных экспериментов с использованием информационных технологий точного земледелия для совершенствования нормативной базы применения удобрений непосредственно в почвенно-климатических условиях заданной сельскохозяйственной территории.

Основные защищаемые положения

- Созданный программный комплекс, ядром которого являются модули управления пространственно-атрибутивными данными, библиотекой методов расчета доз удобрений и процессом синтезирования карт заданий для реализации прецизионных агроприемов по внесению удобрений;

- Методика и программная реализация функционала для планирования и проведения многофакториальных прецизионных экспериментов является мощным инструментом совершенствования нормативной базы применения удобрений в почвенно-климатических условиях конкретного хозяйства. При этом проведение всех операций в рамках прецизионных экспериментов возможно осуществлять при помощи информационно-технологических средств точного земледелия в автоматическом режиме без применения ручного труда;

- Приложения созданного программного комплекса в качестве инструмента для информационного обеспечения полной цепочки работ в рамках дифференцированного внесения удобрений и прецизионных экспериментов однозначно свидетельствуют об его полезности и востребованности как в практике сельскохозяйственного производства так и в научных исследованиях.

Практическая значимость работы.

В результате проведенных исследований создан специализированный программный комплекс, предназначенный для практического использования в растениеводческих хозяйствах, применяющих технологии точного земледелия. В настоящее время отсутствие необходимых знаний у сельхозтоваропроизводителей в сочетании со сложностью адаптации существующих программных средств является существенным препятствием для широкого внедрения прецизионных технологий. Применение программного комплекса, функционал которого осуществляет информационную поддержку всей цепочки работ в рамках технологии прецизионного внесения удобрений, в значительной степени окажет положительное влияние на темпы внедрения точного земледелия в России.

Методика и программная реализация функционала, предназначенные для планирования и проведения многофакториальных прецизионных экспериментов могут быть использованы как в условиях растениеводческих хозяйств, так и в научно-исследовательских учреждениях страны для совершенствования нормативной базы применения удобрений.

Личный вклад автора

Проектирование архитектуры и программная реализация компьютерного комплекса в области автоматизации расчета доз удобрений выполнены в полном объеме лично автором настоящей работы. Степень вовлеченности автора в разработку геоинформационной оболочки программного комплекса и в разработку методологии и программного обеспечения прецизионных экспериментов составляла 60-80 процентов. Работы по региональному мониторингу земель сельскохозяйственного назначения с использованием компьютерного комплекса выполнялись при непосредственном участии соискателя.

Апробация работы

Основные результаты исследований были рассмотрены и получили одобрение на заседаниях Ученого Совета Агрофизического института, проводимых в 2009-2014 гг. и в рамках отчетных научных сессий коллектива

за указанные годы; доклады по тематике работ представлялись автором на российских и международных конференциях:

Всероссийская конференция (с международным участием) «Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной биологии: итоги и перспективы», Санкт-Петербург, 1415 октября 2010г.; координационное совещание Агрофизического института, Санкт-Петербург, 25-26 марта 2010 г.; XI Международная научно-практическая конференция «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве», Углич, 2010; Международная конференция «Тенденции развития агрофизики в условиях изменяющегося климата», Санкт-Петербург, 20-21 сентября 2012 г.; XII международная научно-техническая конференция «Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем». Москва, 2012.

Разработанный программный продукт апробирован на биополигоне АФИ в ходе исследований по мониторингу земель Ленинградской области и входит в состав инновационного фонда АФИ по применению технологий точного земледелия. Достижения АФИ демонстрировались на международных специализированных выставках «Золотая Осень» и «Агрорусь», где были отмечены золотыми и серебряными медалями.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе три статьи в изданиях, включенных в «Перечень российских рецензируемых научных журналов...». Получено свидетельство за №2010616626 от 05.11.2012 о регистрации геоинформационной компьютерной системы в Государственном реестре программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений, изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит семь таблицы, 43 рисунков и два приложения. Список литературы включает 145 наименований, из них зарубежных авторов 41.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние, уровень применения и задачи развития методов и программно-аппаратных средств по дифференцированному внесению удобрений в системе точного земледелия

В первой главе рассматриваются современный этап и перспективы развития информационных систем и технических средств точного земледелия, приводится анализ существующих методов, обеспечивающих возможность перехода к автоматизированному проектированию систем прецизионного применения удобрений. На основании анализа текущей информации сделаны вывод, что центральным и наиболее трудоёмким мероприятием в рамках прецизионных технологий является сбор и обработка больших объемов информации, что делает практически невозможным принятие оптимальных решений без использования специализированного программного обеспечения. Глава 2. Специализированный программный комплекс в информационном обеспечении систем прецизионного внесения удобрении

Основная задача систем основанных на знаниях заключается в тиражировании опыта высококвалифицированных специалистов в областях, где качество принятия решений традиционно зависит от профессионального уровня экспертов. Использование систем поддержки принятия решений (СППР) в сельскохозяйственном производстве должно стать мощнейшим подспорьем в экспертной оценке ситуации и принятии оптимального решения.

Разработанный в диссертации программный комплекс является составной частью создаваемой в АФИ СППР, отвечающей за формализацию и использование знаний в области прецизионного применения удобрений. Принятая концепция представления агротехнологических знаний в СППР базируется на логическом сопряжении проблемно-ориентированных баз знаний и данных, структуры которых позволяют сконструировать систему хранения и извлечения данных.

Общая схема применения программного комплекса для расчета доз удобрений в работах по системе точного земледелия приведена на рисунке 1. В

соответствии с принципами построения СПГТР программный комплекс имеет два интерфейсных уровня - экспертный и пользовательский. На экспертном уровне работают специалисты в области агрохимии, создающие методы расчета. Разработчик метода взаимодействует с конструктором описания методов, являющимся редактором базы знаний. С помощью конструктора производится описание характеристик метода, обозначаются логические связи входных параметров, табличных данных, пространственных данных, задается формула расчета и осуществляется регистрация очередного метода в библиотеке методов.

Рис. 1. Схема применения программного комплекса Все данные, которые участвуют в формуле расчета, делятся на четыре типа, ранжированных следующим образом: Данные первого типа

Значения, которые задаются заранее, перед расчетом. К ним относятся показатели, характеризующие уровни потенциальной, климатически обеспеченной или программируемой урожайности (планируемые показатели). Ввод данных первого типа реализуется вводом конкретного значения, либо используется математическая модель (независимо оформленный программный модуль), которая рассчитывает уровень урожайности. Данные второго типа

Общие данные по полю (паспорт поля), значения которых хранятся в базе данных, это такая информация как:

- тип, механический состав почвы;

- тип возделываемой сельскохозяйственной культуры;

- культура-предшественник и другие. Данные третьего типа

Значения определяются в процессе работы программы. Представляют различные коэффициенты, берутся из таблиц базы данных. Выбор, как правило, зависит от данных второго типа. Примеры данных третьего типа:

- коэффициенты выноса питательных веществ в зависимости от возделываемой культуры;

- коэффициенты использования питательных веществ из почвы в зависимости от типа почвы и культуры.

Выбор значений для данного типа переменных производится уже в процессе расчета по выполнению какого-либо условия. Данные четвертого типа

Данные по каждому элементарному участку поля, численно характеризующие зоны неоднородности. Ввод осуществляется в таблицу атрибутивной информации, где строки представляют собой данные по конкретному элементарному участку поля.

Разделение информации на типы необходимо для правильной логической связи базы данных с переменными, участвующими в расчете, что обеспечивает соотношение между декларативными и процедурными знаниями, а также для определения элементов интерфейса, которые должны быть автоматически сгенерированы в окнах ввода начальных данных метода расчета. В результате работы конструктора в режиме описания метода расчета генерируется ХМЬ-схема, которая содержит информацию обо всех параметрах метода. Производится регистрация метода расчета в библиотеке методов, после чего он становится доступным для выбора при работе в режиме расчета.

Пользовательский уровень предназначен для агрономов или руководителей, которые являются конечными пользователями системы и потребителями тех знаний, которые были формализованы на экспертном уровне. На указанном уровне пользователь на основании базовых методов расчета, созданных экспертами, генерирует карты дифференцированного

внесения удобрений, адаптированные для своих полей с учетом актуальных данных.

Информация, характеризующая пространственное распределение параметров плодородия и результаты расчета, визуализируется в геоинформационной оболочке программного комплекса, описание которой приводится в следующей главе.

Глава 3. Геоинформационная оболочка программного комплекса и ее роль в решении задач прецизионного внесения удобрений Взаимодействие различных программно-аппаратных средств, которые используются на каждом этапе работ в системе точного земледелия, строится на применении геоинформационных систем (ГИС).

В диссертационной работе рассмотрены примеры применения геоинформационной оболочки программного модуля для информационного обеспечения полной цепочки работ от сбора исходной информации до построения карт заданий по двум базовым технологиям точного земледелия -основного внесения удобрений и проведения азотных подкормок. Работы выполнялись в 2011-2013 годах в Меньковском филиале Агрофизического института на посевах яровой пшеницы сортов «Красноуфимская 100» и «Эстер».

Основное внесение удобрений на основе данных агрохимического обследования проводилось на основе расчета доз удобрений балансовым методом по рекомендациям Ягодина, 1989. Использование программного комплекса по информационному обеспечению проведения данной операции:

1. Создание электронной карты (контура) поля с помощью ОРЗ/СЬОКАББ оборудования

2. Разбивка поля сеткой обследования. В ходе этой операции электронный образ исследуемого поля разделяется на элементарные участки.

3. Отбор почвенных проб с помощью мобильного комплекса. При движении мобильного комплекса по полю на экране ноутбука в реальном времени отображается его текущее местоположение. Проводится отбор объединенной пробы с каждого элементарного участка. Почвенные пробы поступают в агрохимическую лабораторию на анализ.

4. Импорт в атрибутивную информацию по элементарным участкам данных лабораторного анализа.

5. Расчет дозы удобрений для каждого элементарного участка поля. В основу используемой методики положен расчетно-балансовый метод:

Б = (Уп-В - (П-Кп + <2о-Мо Ко))/Км, (1)

где:

О - доза удобрения в действующем веществе, кг/га; Уп - планируемая урожайность, ц/га;

В - вынос элемента минерального питания на единицу планируемого урожая, кг;

П - содержание в почве доступных питательных веществ, кг/га;

Кп - коэффициент использования питательных веществ (№К) почвы, %;

(Зо - масса органических удобрений или запахиваемой соломы, т/га;

Мо - содержание ЫРК в 1 тонне органических удобрений, кг/т;

Ко - коэффициент использования питательного вещества из органических

удобрений, %;

Км - коэффициент использования питательного вещества из минеральных удобрений, %.

Для реализации описанного выше принципа классификации данных каждая переменная формулы расчета (1) приводится в соответствие с определенным типом (табл.).

Таблица. Разделение переменных на типы

Вид данных Тип данных

Культура 2

Планируемая урожайность 1

Тип почвы 2

Коэффициент выноса элемента минерального питания с планируемым урожаем 3

Содержание в почве доступных питательных веществ 4

Коэффициент использования питательных веществ (№К) почвы 3

Масса органических удобрений 1

Содержание в 1 тонне органических удобрений 3

Коэффициент использования питательного вещества из органических удобрений 3

Коэффициент использования питательного вещества из минеральных удобрений 3

С помощью программного комплекса на основе данных агрохимического обследования автоматически определяется потребность в удобрениях для каждого элементарного участка поля, результаты расчета сохраняются в базу атрибутивной информации.

6. Генерация карты-задания на внесение удобрений и экспорт карты-задания в бортовой компьютер трактора. Для генерации карты-задания производится пространственная интерполяция атрибутивных данных элементарных участков. Размер ячейки интерполированной карты-задания, как правило, выбирается равным ширине захвата разбрасывателя / опрыскивателя, который планируется использовать для прецизионного внесения удобрений (рис. 2). Сгенерированная карта-задание записывается на чип-карту и экспортируются в бортовой компьютер трактора для реализации операции на поле.

Рис. 2. Карта-задание на проведение основного внесения удобрений по данным

агрохимобследования Второй пример применения программного модуля, приведенный в диссертации - проведение прецизионных азотных подкормок с применением данных аэрофотосъемки, расчет доз основывается на методе, разработанном в Агрофизическом Институте (Якушев и др., 2010). При проведении данной операции на основании цветовых характеристик пикселов аэрофотоснимка поле кластеризуется на однородные зоны. Для этого каждому участку снимка ставится в соответствие индекс, являющийся функцией его колориметрических характеристик. Исходя из индекса колориметрических характеристик тестовых площадок строится калибровочная кривая, описывающая зависимость между дозой азота и цветом посева на тестовых участках. Для построения калибровочных кривых цвет растительного покрова представлен в качестве

единой величины, условно названной обобщенной характеристикой цвета СааЬ, которая рассчитывалась по формуле:

С2ЬаЬ =аЬ + р,а + р2Ь, (2)

где а, 01 и (32 - эмпирически подбираемые коэффициенты для каждого цифрового изображения посева, которые в сумме дают единицу. Коэффициенты а, рь Рг подбираются таким образом, чтобы обеспечить максимально сильные различия значений для тестовых площадок с разным содержанием азота. В приведенном примере для посева пшеницы сорта «Красноуфимская 100» калибровочная кривая, полученная по данным тестовых площадок, имеет коэффициенты а = 0,6; Р] =0,05; р2 = 0,35. Формула 2 вносится в блок расчета доз удобрений. Расчет производится с сохранением результатов в атрибутивную информацию по участкам поля. Генерация технологической карты-задания производится автоматически для каждого однородного участка поля, выделенного при дешифрировании снимков, и разбивается на более мелкие элементарные участки, которые представляют собой квадрат со стороной, равной ширине захвата сельскохозяйственной техники, для которой формируется карта-задание (рис. 3).

Рис. 3. Карта-задание на проведение азотных подкормок по данным аэрофотосъемки

Рассмотренные примеры информационного обеспечения вариантов технологий точного земледелия, основанных на существенно различающихся данных и методах их обработки, иллюстрируют применимость разработанного программного комплекса для решения задач по прецизионному внесению удобрений с использованием широкого спектра информации о пространственной неоднородности. Развитие средств мониторинга агроценозов,

наблюдаемое в последнее время, естественным образом генерирует новые методологические подходы для выработки оптимальных агрохимических решений. Поэтому программный комплекс, в первую очередь, направлен на оптимизацию практического применения различных подходов к определению оптимальных уровней минерального питания в условиях конкретного хозяйства. Важным фактором разработки подобных адаптивных методик является проведение прецизионных экспериментов, методология и программное обеспечение которых приведено в четвертой главе диссертационной работы.

Глава 4. Геоинформационное и технологическое обеспечение прецизионных агрохимических экспериментов и регионального мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Общепризнано, что главным методом научных исследований в агрономии является натурный полевой эксперимент. Традиционно к опытному полю предъявляются два основных требования - типичность и однородность исследуемого участка земли, поэтому в процессе закладки опыта необходим учет внутрипольной неоднородности. Современные технологии точного земледелия открывают большие возможности для совершенствования методики постановки полевых опытов в условиях (и с учетом) неоднородности почв. С появлением систем глобального позиционирования, средств почвенно-растительного мониторинга и геоинформационных систем стала возможной реализация в полевых опытов по широкому спектру факторов плодородия. Современные технологии точного земледелия открывают большие возможности для совершенствования методики постановки полевых опытов в условиях (и с учетом) неоднородности почв. В частности, исключительно только с помощью методологии и технических средств точного земледелия можно автоматически в каждом хозяйстве организовать опыты по полной факториальной схеме.

При проведении полевых опытов с применением прецизионных технологий важным источником информации, характеризующим уровень продуктивности поля, является электронная карта урожайности. Получение подобной информации является несомненным прорывом в области опытного

дела, так как наличие электронной карты урожайности позволяет характеризовать поле не одним числом - средней урожайностью поля, а большим числовым массивом - урожайностью отдельных участков (площадь каждого анализируемого участка составляет 5x5 м). Существенно возрастает при этом возможность детального исследования характера и степени влияния на урожайность почвенно-климатических, агрохимических и других аспектов, выявленных на этапе мониторинга.

В диссертационной работе рассмотрено приложение программного комплекса для информационного обеспечения полной цепочки работ в рамках активных прецизионных экспериментов, включающей в себя следующие этапы:

- создание электронной карты (контура) поля с применением СРЗ/СЬОКАББ приемников;

- пространственная регистрация данных почвенно-растительного мониторинга;

- выделение однородных зон сельскохозяйственного поля;

- компьютерное планирование схемы прецизионного эксперимента;

- генерация карты задания для автоматического размещения вариантов прецизионного эксперимента на сельскохозяйственном поле

- пространственная регистрация карты урожайности;

- построение единой информационной базы по проведенному эксперименту.

При информационном обеспечении прецизионных экспериментов необходимо учитывать большой объем информации, генерируемой в результате их проведения. К примеру, полю 50 га будет сопоставлена информационная база, составляющая 20 ООО записей, т.е. каждый гектар площади поля будет охарактеризован 400 наборами данных. Разработанный программный комплекс обеспечивает автоматическое построение базы данных по проведенному эксперименту. Слои геоинформационной базы, участвующие в работе и визуализируемые с помощью ГИС оболочки, представляют из себя пространственное распределение оцениваемых параметров, выявленных на этапе почвенно-растительного мониторинга и уборки урожая. Например,

первый слой содержит карту урожайности, второй слой - почвенную карту, третий слой - карту распределения элементов питания в почве (калия, фосфора, азота и т.д.), реакции среды, гумуса и других параметров плодородия почв, четвертый слой - карту микрорельефа. Таким образом, могут формироваться десятки-сотни слоев, отражающих пространственную и временную неоднородность поля. Объединение атрибутивной информации в единую базу данных производится на основе сравнения географических координат объектов, участвующих в работе слоев. Так как слои карты могут содержать различные типы географических объектов с произвольной геометрической конфигурацией, осуществление операции по объединению атрибутивной информации требует предварительного проведения пространственной интерполяции, применяемой к слоям карты. В ходе выполнения данной процедуры на каждый тематический слой карты накладывается единая сетка пространственной интерполяции. Автоматическое построение базы данных по проведенному прецизионному эксперименту с применением программного комплекса осуществляется путем вертикального среза информации по каждой ячейке интерполяционной сетки, что позволяет произвести отображение всей изучаемой информации на единый результирующий слой, хранящий всю информацию по проведенному эксперименту (рис. 4). В программном комплексе реализован функционал, осуществляющий генерацию подобных информационных баз как сразу по всему полю, так и по интересующим исследователя конкретным участкам.

Рис. 4. Генерация информационной базы прецизионного эксперимента

Наличие большой информационной базы, накопленной в результате проведения прецизионных экспериментов, позволит реализовать самые разные методы анализа данных, сравнить результаты применения различных статистических процедур, и тем самым обеспечить достоверность и надежность окончательных выводов. Особенность прецизионных экспериментов состоит в том, что все операции в их рамках проводятся автоматически, без применения ручного труда. Каждое поле, в определенном смысле, становится опытным для самого себя, так как с течением времени происходит накопление ценных данных. Такой подход повысит уровень обоснованности управленческих решений по определению норм минеральных удобрений и создаст предпосылки для максимально корректной реализации агрохимических приемов с учетом конкретных условий.

В рамках выполнения мероприятий, предусмотренных региональной целевой программой «Сохранение плодородия почв и агроландшафтов Ленинградской области на 2008-2010 годы», по заданию Комитета по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу Ленинградской области АФИ совместно с ООО «Агрохимзем» с 2008 по 2010 гг. организовал стационарную сеть агрополигонов по комплексному мониторингу земель сельскохозяйственного назначения региона. В 2011-2012 гг. соответствующий мониторинг осуществлялся по конкурсным государственным контрактам с Правительством области (Суханов и др., 2011).

Обследование всех полигонов осуществлялось с помощью мобильных информационно-измерительных средств и разработанного функционала ГИС-систем, обеспечивающих координатную привязку по GPS/GLONASS-приемникам с составлением соответствующих карт. Наблюдения в рамках регионального мониторинга включают в себя проведение всего комплекса работ по оценке состояния сельскохозяйственных угодий на территории полигона.

При рассмотрении задачи анализа полученной обширной информации, необходимо отметить, что подход к автоматическому построению баз данных, приведенный при описании прецизионных экспериментов, полностью применим для информационного обеспечения регионального мониторинга.

ГИС-технологии, реализованные в программном комплексе, позволяют сопоставить весь спектр параметров, зарегистрированных на этапе мониторинга, с возможностью автоматического построения информационных баз по площади любого размера и конфигурации.

В результате реализации проекта по мониторингу формируется обширная геоинформационная база, содержащая данные за несколько лет наблюдений. При ее использовании возможна выработка решений, позволяющих вести регулирование биопродукционного процесса на территории, обслуживаемой сетью агрополигонов, с учетом пространственно-временной неоднородности питательного режима почвы. Комплексные исследования на агрополигонах становятся не только надежным инструментом контроля и прогноза плодородия почв, но и механизмом внедрения в широкую производственную практику растениеводства современных приемов оптимального управления продукционным процессом, обеспечивающих повышение эффективности и сохранение экологической устойчивости агроэкосистем.

Выводы

-разработан геоинформационный компьютерный комплекс с возможностью конструирования агротехнологических методов с пространственной привязкой результатов расчета в системе точного земледелия

- создание специализированного программного комплекса является существенным вкладом в развитие отечественного физико-технического программного базиса точного земледелия, функционал которого обеспечивает импортозамещение программных средств, а также освобождает пользователя от необходимости приобретения дорогостоящих и избыточных по возможностям ГИС-пакетов;

- разработан методологический подход и программное обеспечение проведения прецизионных экспериментов;

-проведенные полевые исследования с использованием программного комплекса по информационному обеспечению прецизионных агрохимических приемов на биополигоне АФИ и по мониторингу земель сельскохозяйственного назначения на сети стационарных полигонов Ленинградской области свидетельствуют о его высокой надежности и работоспособности, применение

программного комплекса способствует повышению эффективности сельскохозяйственного производства и сохранению экологической устойчивости агроэкосистем.

Рекомендации по использованию результатов диссертации

Автором разработан программный комплекс, предназначенный для информационного обеспечения технологий точного земледелия и для планирования и проведения многофакторных прецизионных экспериментов. Он может быть с успехом использован при оперативном планировании в масштабе хозяйства, а также в научно - исследовательских целях.

Список публикаций по теме диссертации

1. Канаш Е. В., Воропаев В. В., Конев А. В., Лекомцев П. В., Матвеенко Д. А., Осипов Ю. А., Петрушин А. Ф., Якушев В. В. База данных и информационное обеспечение для выделения неоднородных по оптическим характеристикам участкам посева и дифференцированного внесения средств химизации // Материалы всероссийской конференции (с международным участием) «Математические модели и информационные технологии в сельскохозяйственной биологии: итоги и перспективы». 14-15 октября 2010, г. Санкт-Петербург. СПб., АФИ, 2010. 288 с.

2. Матвеенко Д. А., Воропаев В. В., Конев А. В., Лекомцев П. В., Петрушин А.Ф., Якушев В.В. Использование тестовых площадок для контактной и дистанционной регистрации оптических характеристик растений и определения доз азотных подкормок в системе точного земледелия // Материалы координационного совещания Агрофизического института. 25-26 марта 2010 г. Санкт-Петербург. СПб., 2010. С. 4550.

3. Суханов П. А., Якушев В. В., Конев А. В., Матвеенко Д. А. Региональный мониторинг земель сельскохозяйственного назначения на основе сети стационарных полигонов // Агрохимический вестник. № 3. 2011. С. 14—16.

4. Якушев В. П., Воропаев В. В., Конев А. В., Лекомцев П. В., Матвеенко Д. А., Петрушин А. Ф„ Якушев В. В.. Использование тестовых площадок и данных аэрофотосъемки для выделения зон однородностей в системе точного земледелия // Материалы XI Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». Углич, 2010. С. 656-662.

5. Якушев В. П., Канаш Е. В., Конев А. А., Ковтюх С. Н., Лекомцев ГГ. В., Матвеенко Д. А., Петрушин А. Ф., Якушев В. В., Буре В. М., Осипов Ю. А., Русаков Д. В. Теоретические и методические основы выделения однородных технологических зон для дифференцированного применения средств химизации по оптическим характеристикам посева (практическое пособие). СПб., 2010. 59 с.

6. Якушев В. В., Телал Б. А., Часовских С. Г., Конев А. В., Матвеенко Д. А. Информационные системы для точного земледелия. Опыт внедрения и разработки // Материалы Международной конференции «Тенденции развития агрофизики в условиях изменяющегося климата (к 80-летию Агрофизического НИИ)». Санкт-Петербург, 20-21 сентября 2012 года. СПб., 2012. С. 583-585.

7. Якушев В. В., Телал Б. А., Часовских С. Г., Конев А. В., Матвеенко Д. А. Программное обеспечение для точного земледелия. Опыт внедрения и разработки // Сборник докладов XII международной научно-технической конференции «Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем». М., 2012. С. 489-492.

8. Конев A.B. Программный интерфейс реализации методов расчетов доз удобрений и представление результатов в системе точного земледелия // Известия СПбГАУ. № 24. 2011. С. 85-91.

9. Конев А. В., Матвеенко Д. А., Петрушин А. Ф., Якушев В. В. Компьютерная программа с пространственной привязкой расчетных доз удобрений по заданному сельскохозяйственному полю и автоматическим формированием карт-заданий в системе точного земледелия // Материалы координационного совещания Агрофизического института. 25-26 марта, 2010 г. Санкт-Петербург. СПб., 2010. С. 3844.

10. Якушев В. В., Конев А. В., Матвеенко Д. А., Якушева О. И. Прецизионные эксперименты в информационном обеспечении систем земледелия // Вестник РАСХН. №3.2011.С. 11-13.

11. Конев А. В. Геоинформационная компьютерная программа с возможностью конструирования агротехнологических методов с пространственной привязкой результатов расчета в системе точного земледелия // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2010616626 от 05 октября 2010 г.

Отпечатано в ГНУ АФИ Россельхозакадемии 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14. Тираж 100.