способ ускоренного выделения устойчивых внутрипольных контуров почвенного плодородия на сельскохозяйственных полях

Формула изобретения

Способ ускоренного выделения устойчивых внутрипольных контуров почвенного плодородия на сельскохозяйственных полях (агроконтуров), отличающийся тем, что агроконтуры определяют сканированием рельефа поля с использованием приборов параллельного вождения (ППВ), установленных на автомобиле высокой проходимости или тракторе, при безостановочном движении автомобиля или трактора по полю параллельными проходами с заранее внесенными в электронную память ППВ расстояниями между смежными проходами и интервалами между опорными точками при наличии базовой станции, корректирующей сигналы навигационных спутниковых систем GPS или ГЛОНАСС, с фиксацией получаемых данных о географических координатах и превышениях опорных точек и перенесением этих данных посредством карты флеш-памяти в ноутбук или офисный компьютер с последующей обработкой их по специальному программному обеспечению (типа «Карта-2011», «Surfer» или аналогов) и представлению в виде электронной карты поля с выделением на ней агроконтуров с учетом превышений опорных точек над нижней точкой рельефа поля и экспозиции склонов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Выявление внутрипольных контуров почвенного плодородия (агроконтуров) требуется для прогрессивной технологии применения удобрений, а именно для их дифференцированного внесения с учетом агрохимических свойств почвы и потребности растений в элементах питания.

Дифференцированное применение удобрений относится к наиболее продвинутым методам оптимизации минерального питания растений в технологиях точного земледелия. В годы экстенсивного земледелия, когда почвы были в целом мало обеспечены элементами минерального питания растений, а уровень применения удобрений - незначительным, дифференцированное их внесение не было столь актуальным. Интенсификация применения минеральных удобрений во второй половине минувшего столетия привела к общему повышению плодородия почв во многих странах, включая Россию, а стремление за счет традиционных технологий реализовать потенциальные возможности современных сортов сельскохозяйственных культур, когда какое-либо удобрение вносят средней для всего поля дозой, вошла в противоречие с экологическими и экономическими требованиями современного земледелия. При возросшем уровне применения удобрений и общего повышения плодородия почв равномерное внесение удобрений по традиционным технологиям из-за известной его внутрипольной вариабельности приводит к переудобренности почвы и посевов на участках повышенного плодородия и недостаточной - на участках с пониженным плодородием. В итоге избыточно внесенные, не используемые растениями удобрения, особенно азотные, вызывают загрязнение среды, в том числе грунтовых вод, вследствие фильтрации их по почвенному профилю, а также сельскохозяйственную продукцию, в частности нитратами. Недостаточная обеспеченность растений питательными веществами на участках поля пониженного плодородия вызывает недобор урожая и ухудшение его качества. Еще основоположник отечественной агрохимии Д.Н.Прянишников (Прянишников Д.Н. Избранные сочинения. Т.1. - М.: Колос, 1965. - С.72) указывал на целесообразность внесения удобрений с учетом внутрипольной неоднородности плодородия почвы, которая впоследствии была неоднократно подтверждена зарубежными и отечественными авторами (The precision-farming guide for agriculturists. - U.S.A., Moline: Yon Deere publishing, 1997. - 119 р.; Соколов А.В. Агрохимическое картографирование почв. - М.: Наука, 1962. - 154 с.; Якушев В.П. На пути к точному земледелию. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2002. - 458 с.; Личман Г.И., Марченко Н.М., Марченко А.Н. Система точного земледелия в современных агротехнологиях: Сборник докладов Х международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». ч.2. - М.: Изд-во ВИМ, 2008. - С.557-566). Агрономическая целесообразность, экологические требования и постоянно растущая стоимость агрохимических средств, с одной стороны, и совершенствование технического уровня агропромышленного комплекса в развитых странах, с другой, в конце XX века создали условия для разработки комплекса новых агротехнологий, получивших за рубежом название «Precision agriculture», а в России - «точное земледелие».

Необходимым условием внедрения технологий точного земледелия является выделение на полях внутрипольных контуров плодородия почвы - агроконтуров. Для выявления агроконтуров могут применяться различные методы: по данным сеточного отбора почвенных проб, по дистанционным (авиакосмическим) снимкам (Афанасьев Р.А., Благов А.В., Мейер О.Н. Усовершенствованный способ агрохимического обследования почв // Патент России № 2102748, 1998), по сканированию урожайности или электропроводности почвы (Личман Г.И., Марченко Н.М., Дринча В.М. Основные принципы и перспективы применения точного земледелия. - М.: Россельхозакадемия, 2004. - 81 с.), по топографическим признакам (Franzen D.W. and Narina T. Management zone delineation methods. Proceeding of the 6^th International Conference on Precision Agriculture, P.Robert ed., July 14-17, 2002, Minneapolis, MN. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI - 2002, - P. - 363-377). Недостатками этих способов являются трудности получения такой информации. Для сеточного отбора почвенных проб, наиболее часто рекомендуемого за рубежом, требуется разделение площади поля на участки (квадраты) площадью от 0,5 до 1,5 га в зависимости от сложности его рельефа, что требует значительных затрат как на отбор проб, так и на их агрохимический анализ. Дистанционный мониторинг сельскохозяйственных угодий с использованием авиации в настоящее время практически нигде не применяется из-за высокой его стоимости. Относительно дешевые космические снимки низкого разрешения малопригодны для дешифрирования по наземным агрохимическим показателям (ключам) вследствие недостаточной их разрешающей способности, а космо-снимки высокого разрешения также стоят очень дорого и в сельском хозяйстве по этой причине применяются, особенно в нашей стране, в ограниченных масштабах. Для сканирования электропроводности почвы соответствующие технические устройства имеются только за рубежом и стоят очень дорого, что естественным образом в перспективе налагает ограничения на массовое применение такого способа в нашей стране. Кроме того, выявленные указанными способами контуры не устойчивы во времени, так как ни урожайность, ни электропроводность, ни другие показатели не являются стабильными, что требует периодического, не реже чем раз в 3 года, обновления полученных ранее данных (Solohub M.P., Van Kessel С., Pennock D.J. The Feasibility of Variable Rate N Fertilization in Saskatchewan: Proceedings of the 3^rd International Conference «Precision Agriculture». - Minneapolis, 1996. - P.65-73). Для выделения устойчивых во времени, в течение многих десятилетий, агроконтуров можно использовать результаты топографической съемки местности, выполняемые традиционным способом, т.е. геодезическим нивелированием. Однако этот способ, применяемый обычно в мелиоративных проектах (Чижмаков А.Ф., Чижмакова A.M. Геодезия. - М.: «Недра», 1977. - 342 с.), требует больших затрат рабочего времени и по этой причине редко используется для решения других задач сельскохозяйственного профиля. Задачей изобретения является разработка малозатратного способа ускоренного выявления внутрипольных контуров почвенного плодородия. В связи со сложностью получения необходимой информации для выделения агроконтуров на сельскохозяйственных полях предлагается новый способ, основанный на ускоренном их выделении по топографическим признакам и не имеющий перечисленных выше недостатков и ограничений на его реализацию в сельскохозяйственной практике.

Обоснование способа ускоренного топографического выделения агроконтуров на сельскохозяйственных полях

Предлагаемый способ выявления внутрипольных агроконтуров основывается на их зависимости от мезо- и микрорельефа сельскохозяйственных полей. Исследования показали (Каштанов А.Н., Явтушенко В.Е. Агроэкология почв склонов. - М.: Колос, 1997. - 240 с.), что геохимические процессы в корнеобитаемом слое почв, связанные с боковым внутрипочвенным и поверхностным стоком воды, могут приводить к перемещению в почве многих химических веществ, в том числе необходимых для питания растений. В частности, нами установлена зависимость содержания в пахотном слое дерново-подзолистой почвы содержания нитратного и аммонийного азота от положения обследуемых контуров на рельефе агрополигона. Эта зависимость показана двумя столбцами на фиг.1, где по оси абсцисс обозначены порядковые номера шести характерных делянок агрополигона, а по оси ординат - содержание нитратного и аммонийного азота (мг/кг) в почве пахотного горизонта этих делянок. Левый ряд столбцов показывает содержание нитратного азота, правый ряд - аммонийного. Делянки под номерами 1-3 относятся к повышенным элементам рельефа агрополигона, под номерами 4-6 - к пониженным. Анализ данных, представленных в графическом виде, показывает, что в почве повышенных элементов рельефа превалирует содержание нитратного азота, в почве пониженных элементов - аммонийный азот. Выделенные по рельефу агроконтуры относятся к наиболее устойчивым во времени, поскольку мезо- и микрорельеф полей в условиях адаптивно-ландшафтного земледелия со временем может существенно изменяться только в результате длительных денудационно - аккумулятивных почвенных процессов (Solohub М.Р., Van Kessel С., Pennock D.J. The Feasibility of Variable Rate N Fertilization in Saskatchewan: Proceedings of the 3^rd International Conference «Precision Agriculture». - Minneapolis, 1996. - P.65-73). Другим основанием предлагаемого способа является возможность определения местоположения и высот элементов рельефа с помощью приборов параллельного вождения сельскохозяйственных агрегатов (ППВ), принимающих сигналы современных навигационных спутниковых систем, в частности GPS или ГЛОНАСС. Нами предлагается использовать эти приборы, обычно применяемые в сельскохозяйственных агрегатах в качестве следоуказателей, для сканирования рельефа сельскохозяйственных полей для ускоренного топографического выявления агроконтуров. Комплекс аппаратуры, включающий прибор параллельного вождения сельскохозяйственных агрегатов (ППВ) и базовую станцию, уточняющую географические координаты ППВ и его высоту над уровнем моря, позволяет, при соответствующей обработке полученных данных по специальным компьютерным программам, создавать электронные карты полей и выделять на них агроконтуры, представляющие собой участки поля, различающиеся по положению на рельефе поля, а именно по показателям превышения над нижней (нулевой) точкой этого поля и экспозиции склонов, и предназначенные для отбора почвенных проб для агрохимического анализа и последующего по ним дифференцированного внесения удобрений.

Наряду с применением в технологиях дифференцированного применения удобрений, способ ускоренного топографического выявления внутрипольных контуров может использоваться также для традиционного агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий, что позволит существенно снизить затраты на трудоемкие операции по сеточному отбору и агрохимическому анализу почвенных проб, поскольку такие контуры могут многократно использоваться в качестве постоянных элементарных участков для сплошного или локального мониторингов почвенного плодородия, наиболее точно отражающих его внутрипольную пестроту.

Требуемые машины и оборудование:

- Прибор параллельного вождения сельскохозяйственной техники (ППВ), определяющий по данным навигационных сигналов GPS или ГЛОНАСС географическое местоположение и превышение приемной антенны движущегося агрегата над уровнем моря, типа Mojo 3D, mojoRTK console, Trimble EZ-Guide 750;

- Базовая станция типа Leica Mojo RTK, Leica iRTK, Trimble RTK с радиомодемом;

- Комплект кабелей питания и передачи информации;

- Автомобиль с высокой проходимостью типа Нива Ваз-21213, Ваз-21214, УА3-469, УА3-69 или колесный трактор;

Ноутбук или стационарный компьютер с программами типа «Карта-2011», «Surfer» (версии 7-9) или аналогов.

Способ осуществляется следующим образом. На поле, предназначенном для дифференцированного применения удобрений, после его осмотра выбирают направление, по которому будет производиться сканирование рельефа с помощью приборов параллельного вождения (ППВ). Направление рекомендуется выбирать вдоль вспашки и остальных обработок, производимых на поле. Как правило, это направление совпадает с самой длинной стороной поля. В этом случае будет уходить меньше времени на развороты автомобиля или трактора. Кроме того, выбирается пункт для установки переносной базовой станции. При выборе места для установки базовой станции следует руководствоваться следующими условиями:

- Базовая станция, передающая информацию по радиоканалу, должна быть в прямой видимости с работающей ППВ и на расстоянии не более 5 км от нее;

- Базовая станция, передающая информацию по GPRS (пакетная радиосвязь общего пользования), должна находиться на расстоянии не более 10 км от места работы ППВ (прямая видимость при этом не обязательна);

- Как правило, базовые станции устанавливаются на наиболее возвышенных участках местности в отдалении от домов и деревьев, закрывающих часть спутников, которые используются станцией для определения своего местоположения.

ППВ устанавливают на автомобиль высокой проходимости или колесный трактор и перемещают по полю со скоростью 10-30 км/час. Во время передвижения автомобиля или трактора ППВ указывает оператору направление движения, чтобы осуществлять параллельные проходы техники через равные расстояния. Указание производится светодиодами или изображением на дисплее. В процессе движения (без остановок) прибором автоматически фиксируются уточненные трехмерные координаты опорных точек (долгота, широта, превышение), поступающие от спутниковой навигационной системы через базовую станцию. Расстояния между проходами задаются в ППВ перед началом работы и должны соответствовать ширине захвата используемой в хозяйстве туковысевающей техники для дифференцированного внесения удобрений. Как правило, ширина захвата современной туковысевающей техники может заранее регулироваться и составлять от 10 до 30 м. Интервалы между опорными точками также целесообразно устанавливать равными ширине захвата туковысевающей техники. Развороты сканирующего агрегата производятся за пределами сканируемой площади.

Рабочее время, необходимое для сканирования рельефа поля, зависит от площади поля, скорости перемещения ППВ, расстояния между смежными проходами автомобиля или трактора. Например, при площади поля 50 га, расстоянии между смежными проходами транспортного средства 20 м длина его пути (без разворотов) составит 2500 м. При скорости перемещения ППВ по полю 25 км/час непосредственный рабочий процесс сканирования рельефа поля займет всего лишь 6 минут, не считая времени на развороты, установку базовой станции и другие вспомогательные операции, обычно занимающие не более 1 часа. Работа выполняется двумя людьми: водителем транспортного средства и оператором ППВ.

Полученные полевые данные обрабатываются позже на стационарном компьютере или ноутбуке (камеральная обработка). Сначала информация о точках, координаты, которых были определены, переписывается на карту флеш-памяти через USB-порт. Такие порты имеются в упомянутых ППВ: Mojo 3D, mojoRTK console, Trimble EZ-Guide 750. Информация о точках, как правило, записывается в виде базы данных (табл.1).

По такой таблице в программах типа Карта-2011 или Surfer строится двумерная модель рельефа (матрица высот), позволяющая выделить агроконтуры, по которым в дальнейшем с помощью портативных навигационных приборов в натуре определяются места отбора почвенных проб для их агрохимического анализа по известной методике (Методика отбора почвенных проб по элементарным участкам поля в целях дифференцированного применения удобрений. М.: ВНИИА, 2007. - 36 с.) и внесения дифференцированных доз удобрений, рассчитанных по результатам анализа этих проб. Границы выделенных контуров отделяют участки со своими специфическими водно-воздушным, денудационно-аккумулятивным и биологическим почвенными режимами, связанные с мезо- и микрорельефом полей.

Предлагаемый способ в десятки раз сокращает время на выполнение полевых работ по сравнению с другими наземными способами геодезической съемки: нивелирной, мензульной, тахеометрической и других видов, для которых необходима разбивка поля на полигоны определенной конфигурации, пикетирование характерных точек, перемещение геодезических реек по пикетам, визирование, запись данных в полевой журнал, кропотливые расчеты высот, на что при площади поля около 50 га уйдет не менее 4-5 рабочих дней для группы из 4 человек.

Достоинствами предложенного способа являются:

- сравнительная быстрота выявления внутрипольных агроконтуров по результатам сканирования рельефа полей;

- допустимая точность результатов сканирования;

- стабильность выделенных агроконтуров и возможность многократного использования информации об их месторасположении на полях;

- применение оборудования, доступного на отечественном рынке и применяемого в РФ многими сельхозтоваропроизводителями;

- применение компьютерных программ, доступных на отечественном рынке.

Пример применения

Проверка предлагаемого способа ускоренного выделения внутрипольных контуров почвенного плодородия на сельскохозяйственных полях с использованием ППВ марки Trimble EZ-Guide 750, установленного на автомобиле УАЗ-69, навигационной спутниковой системы GPS и базовой станции Trimble RTK, проведена на одном из полей севооборота площадью 18 га Центральной опытной станции ВНИИ агрохимии им. Д.Н.Прянишникова (ЦОС ВНИИА). Сканирование рельефа этого агрополигона в течение 1 часа с помощью ППВ, имеющего допустимую для преследуемой цели стабильность показателей по географическим координатам (широте и долготе) и превышению над уровнем моря (в пределах 25 см), позволило путем камеральной обработки полученных спутниковых сигналов, скорректированных по точности наземной базовой станцией, с использованием компьютерной программы типа «Surfer» создать электронную модель (карту) рельефа агрополигона с выделением на ней контуров почвенного плодородия. На фиг.2 показана электронная карта, созданная компьютерной программой по результатам ППВ-съемки, на фиг.3 представлены агроконтуры: 1-2 - водоразделы, 3 - верхняя треть склонов, 4, 6 и 7 - средняя треть склонов, 5 - ложбина.

Для проверки точности предлагаемого способа предварительно на данном агрополигоне было проведена техническая нивелирная съемка традиционным способом (Голубева З.С., Калошина О.В., Соколова Н.И. Практикум по геодезии. - М.: Колос, 1969. - 240 с.) по 450 пикетам, расположенным по углам квадратных полигонов 20×20 м, на что для 4 человек потребовалось 7 дней, включая разбивку поля на полигоны, установку пикетов и нивелирование. Статистическая обработка цифровых данных, полученных при традиционном (нивелирование) и ускоренном (ППВ-съемка) способах определения топографии агрополигона, показала, что коэффициент парной линейной корреляции между двумя массивами данных составил 0,99, что указывает на высокий уровень их идентичности. В таблице 2 представлены сравнительные данные по фрагменту поля с 40 пикетами, полученные двумя способами, при коэффициенте парной линейной корреляции между рядами данных 0,99 и средней разницей в определении превышений в 7 см.

Таблица 2
Показатели превышений рельефа на 40 пикетах фрагмента поля по отношению к нижней точке рельефа, определенные GPS-съемкой и нивелированием, м
№ п/п	Способ съемки рельефа поля	Разница
GPS-сканирование	Нивелирование
1	3.972	4.000	-0.028
2	4.431	4.420	0.011
3	4.707	4.790	-0.083
4	5.240	5.250	-0.010
5	5.449	5.560	-0.111
6	5.646	5.740	-0.094
7	5.844	5.940	-0.096
8	5.778	5.940	-0.162
9	5.887	5.990	-0.103
10	5.562	5.730	-0.168
11	5.080	5.270	-0.190
12	4.572	4.700	-0.128
13	3.631	3.800	-0.169
14	4.220	4.320	-0.100
15	5.102	5.310	-0.208
16	5.484	5.540	-0.056
17	5.279	5.390	-0.111
18	5.228	5.240	-0.012
19	4.919	4.970	-0.051
20	4.664	4.760	-0.096
21	4.505	4.600	-0.095
22	4.406	4.390	0.016
23	4.070	3.970	0.100
24	3.573	3.610	-0.037
25	3.466	3.450	0.016
26	4.040	3.870	0.170
27	4.007	4.080	-0.073
28	3.960	4.120	-0.160
29	3.947	4.160	-0.213
30	4.512	4.520	-0.008
31	4.822	4.870	-0.048
32	5.101	5.110	-0.009
33	4.828	5.030	-0.202
34	4.359	4.560	-0.201
35	4.694	4.920	-0.226
36	3.741	3.500	0.241
37	3.842	3.930	-0.088
38	3.856	3.870	-0.014
39	3.621	3.530	0.091
40	3.150	3.170	-0.020
В среднем	4,580	4,648	-0,068

По графику (фиг.4), на котором по оси абсцисс показаны номера опорных точек агрополигона, по оси ординат - превышения над нижней точкой рельефа агрополигона в метрах, результаты GPS-съемки - прерывистой линией, а нивелирной съемки - сплошной линией, видно, что превышения точек на рельефе агрополигона, определенные этими двумя способами, также практически совпадают. Об этом же свидетельствует и сравнение двух карт, созданных по результатам съемки рельефа двумя указанными способами: фиг.2 - по данным GPS-съемки и фиг.5 - по данным нивелирной съемки. По плотности на черно-белых изображениях, представленных на этих картах, видно, что эти изображения в основном однотипны.