WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«Научно-информационный материал ГИС технологии при использовании парка мобильных машин Состав научно-образовательного коллектива: Левшин А.Г, д.т.н., профессор; Солонский ...»

-- [ Страница 3 ] --

Например, Североамериканская референцная координатная система NAD-83 (North American Datum, 1983), Австралийская GDA-94 (Geocentric Datum of Australia, 1994), Европейская EUREF (European Geodetic Reference System) используют эллипсоид и общеземные параметры GRS-80 и являются подсистемами ITRS.

Но все они имеют свои региональные системы счета высот. Европейская высокоточная геодезическая основа EUREF с 1989 г. формирует на общеземном эллипсоиде GRS- координатную систему ETRS (European Terrestrial Reference System), которая должна быть геоцентрической, очень близкой к WGS-84 и к тому же — единой для всей Европы, объединяет в единое целое все геодезические сети Европы, включая страны Балтии и Турцию. Предусмотрено регулярное уточнение и согласование их координатных систем.

В России без интеграции с западными странами создана общеземная координатная система ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990 г.). Она закреплена пунктами космической геодезической сети, часть которых расположена в Антарктиде.

При расстояниях между пунктами до 10 000 км погрешность их взаимного положения не более 30 см *Берлянт А.М. и др., 2003+.

В 2000 г. принято Постановление Правительства Российской Федерации о введении ПЗ- в качестве единой государственной системы координат в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов космических аппаратов и решения навигационных задач.

Тем же Постановлением для геодезических и картографических работ России введена референцная система координат 1995 г. — СК-95.

1.12. Особенности отечественных топографических карт В России при создании топокарт используются системы координат 1942 и 1963 гг. и картографическая проекция Гаусса-Крюгера. Проекция Гаусса-Крюгера является поперечноцилиндрической и была разработана в конце XIX — начале XX в. В этой проекции поверхность земного эллипсоида делится на трёх- или шестиградусные зоны, ограниченные меридианами от полюса до полюса. Легко подсчитать, что всего 60 шестиградусных зон.

В нашей стране на топокартах применяют шестиградусные зоны с осевыми меридианами 3о, 9о, 15о и т.д. Таким образом, чтобы узнать номер зоны топографической карты конкретного места, необходимо долготу этого места разделить на 6, откинуть дробную часть и прибавить 1.

Например, номер зоны для г. Томска (85о в.д.) — 15 (от 84о в.д. до 90о в.д.), а осевой (центральный) меридиан 15 зоны — 87о. Наибольшие искажения наблюдаются на краях зон, и, наоборот, минимальные — вблизи центрального меридиана.





В каждой зоне строится своя прямоугольная система координат. В качестве единиц используются метры. Ось абсцисс ориентирована на север по центральному меридиану. Ось ординат направлена перпендикулярно центральному меридиану. Чтобы избежать отрицательных значений, к значению ординаты прибавляется 500 000 м. Иногда, чтобы отличать значения ординат на картах различных зон, перед ординатой пишется номер зоны. Как правило, на отечественных топокартах координаты указываются в километрах вблизи узлов координатной сетки. Координатная сетка топокарт масштабов 1: 10 000 — 1: 50 000 имеет шаг 1 км (километровая сеть), а для топокарт масштаба 1: 100 000 используется шаг 2 км.

Очень схожа с картографической проекцией Гаусса-Крюгера проекция UTM, применяемая для топокарт в США. Но в проекции UTM абсциссе X координат Гаусса-Крюгера соответствует северное положение Y, а ординате Y — восточное положение X. Так как большинство коммерческих ГИС-пакетов, составляющих основу программного обеспечения ГИС, имеют американское происхождение, то проекция Гаусса-Крюгера рассматривается там как частный случай проекции UTM, и, соответственно, координата X отсчитывается на восток, а Y — на север.

Это необходимо учитывать при цифровании отечественных топографических карт. Например, координаты узла сетки на рис. 13 будут выглядеть так: X=15 657 000, Y=6 033 000. При создании ГИС локального уровня (в пределах одной зоны) номер зоны в координате X можно опустить (X=657 000). Это создаст удобства при работе с приборами глобальных систем спутникового позиционирования (например, мобильными GPS-приёмниками), поскольку зачастую в них используются шестизначные значения метровых координат.

Рельеф на топокартах обозначается системой горизонталей и высотных отметок. При этом высота сечения рельефа горизонталями зависит от типа территории и существенно различается на картах разного масштаба.

1.13. 2.1.4. Специфика оцифровки оврагов и обрывов с целью создания корректной модели рельефа, борьба с «псевдотреугольниками» при создании TIN Цифрование данных о рельефе с топокарт — очень ответственный процесс, от которого во многом зависит репрезентативность цифровой модели рельефа (ЦМР). При этом главная задача — не скопировать содержимое карты один к одному, а как можно точнее смоделировать рельеф поверхности, постараться передать его «пластику».

Наибольшую сложность обычно представляют участки обрывов и крутых склонов, т.к. на топокартах традиционно они показаны слиянием горизонталей в одну линию.

В таком случае важно точно определить начальную и конечную по высоте горизонтали, входящие в линию обрыва, т.е. оценить его высоту.

Обрыв оцифровывается двумя линиями этих горизонталей, расположенными как можно ближе друг к другу (желательно использовать увеличение 4:1 или даже 8:1 относительно масштаба карты). При этом остальные (промежуточные) горизонтали достаточно подвести к обрыву, а на самом обрыве их не оцифровывать, тем самым избежав избыточность данных для ЦМР. Вообще, в горных районах вовсе не обязательно цифровать каждую горизонталь склона.



Если горизонтали идут параллельно, а форма склона не меняется, то достаточно оцифровать главные горизонтали. Например, по топокарте 1: 25 000 достаточно создать цифровые полилинии с шагом 25 м по высоте, а не 5 м.

Как известно, цифровая модель рельефа в формате модели TIN имеет существенный недостаток, а именно: при построении модели рельефа на основе горизонталей в местах ложбин, балок и гребней образуются так называемые «псевдотреугольники» (треугольники сети с нулевым уклоном), т.к. в таких местах все три вершины треугольника лежат на одной горизонтали.

Чтобы избежать этого, необходимо использовать в качестве исходных данных дополнительные водораздельно-тальвеговые линии, или линии I типа по А.Н. Ласточкину *1987+.

Например, объекты гидросети и линии хребтов можно использовать при расчёте ЦМР как линии явного перегиба рельефа (рёбра треугольников).

Введение дополнительных линий перегиба рельефа и точек высот позволяет значительно сократить число «псевдотреугольников».

1.14. Данные дистанционного зондирования (ДДЗ) Ещё одним важным источником пространственной информации являются данные дистанционного зондирования Земли.

Все ДДЗ делятся на три категории:

Съёмки могут быть пассивными, когда фиксируется собственное или отраженное солнечное излучение, и активными, когда снимаемые объекты облучаются, например, радиоволнами. В зависимости от фиксируемого диапазона электромагнитного излучения различают следующие виды дистанционного зондирования:

ультрафиолетовая съмка (ultraviolet);

съмка в видимом диапазоне (optical);

съмка в ближнем диапазоне (near infrared);

съмка в среднем диапазоне (middle infrared);

съмка в дальнем (тепловом) инфракрасном (thermal infrared) диапазоне;

съмка в микроволновом радиодиапазоне (microwave, passive microwave).

При одновременном использовании нескольких диапазонов говорят о многозональной (multi-channel, multi-spectral, multi-band) съёмке, а при большом числе используемых диапазонов (20 и более) — о гиперспектральной (hyperspectral).

По виду применяемой съёмочной аппаратуры различают следующие виды съёмок:

фотографические (photography);

телевизионные (television, photovision);

фототелевизионные (phototelevision);

радиолокационные (radar, radiolocation);

гидролокационные (sounding);

лазерные (laser, optical maser);

Отдельно выделяют аэроспектрометрирование (aerial spectrophotometry, aerial radiometry), представляющее собой регистрацию с помощью спектрографов спектральной яркости (spectral brightness, spectral radiance) какой-либо поверхности вдоль направления движения летательного аппарата.

1.15. Стереофотограмметрическая съёмка Исторически сложилось так, что первым видом дистанционных съёмок явилась наземная стереофотограмметрическая съёмка, которая начала применяться для составления крупномасштабных карт (топографических, геологических, ландшафтных и др.) высокогорных сильно расчленённых территорий. Повторные съёмки с определённых заранее закреплённых мест, называемых базисом фотографирования, проводятся через определённые промежутки времени и используются как метод изучения динамики природных явлений и процессов, в том числе и связанных с рельефообразованием. Съёмка выполняется фототеодолитом (наибольшее распространение в нашей стране получил прибор немецкой фирмы «Carl Zeiss»).

Самолётные съёмки ведутся на разные виды плёнки, чувствительные к разным участкам спектра: в видимой области спектра — это аэрофотография; в более длинных волнах — это инфракрасная и тепловая, а также активная радиолокационная. Наиболее важной из них является аэрофотосъёмка, которая в зависимости от направления оптической оси съёмочной камеры разделяется на плановую и перспективную. В зависимости от характера покрытия местности снимками, аэросъёмку подразделяют на выборочную, маршрутную и многомаршрутную.

На практике наибольшее распространение получила плановая площадная многомаршрутная аэрофотосъёмка. При этом прокладывается ряд параллельных маршрутов, расположенных с таким расчётом, чтобы аэрофотосъёмки, получаемые по смежным маршрутам, перекрывали друг друга. Такое перекрытие является поперечным и составляет, как правило, 20— 30 % площади снимка. Продольное перекрытие, т.е. перекрытие снимков вдоль маршрута — много больше и составляет обычно 60—80 %. Как правило, для составления карт территорий с сильно расчленённым рельефом требуется большее перекрытие.

1.16. Аэрофотосъёмка Большое значение при составлении крупномасштабных ландшафтных карт имеют материалы многомаршрутной аэрофотосъёмки по заказам лесоустроительных экспедиций. Такие аэрофотоснимки имеют масштаб 1: 15 000 и очень хорошо сочетаются с крупномасштабными топокартами масштаба 1: 25 000, особенно при их совместном использовании для тематического дешифрирования в ГИС.

Важными характеристиками аэрофотосъёмки являются время года (сезон съёмки) и время суток для проведения аэрофотосъёмочного залёта. При этом учитываются:

особенности фотографируемой территории (наличие или отсутствие растительности, ледяного и снежного покрова);

вегетационная фаза развития растительности;

состояние сельхозугодий;

В горных районах, как правило, съёмку предпочтительнее проводить в летнее полуденное время (т. е. в период максимального солнцестояния), т. к. крутые склоны и обрывы дают глубокие тени на снимке. И, наоборот, на равнинных территориях съёмку лучше проводить в утренние или вечерние часы при низком положении Солнца над горизонтом, чтобы подчеркнуть микроформы рельефа.

1.17. Съёмка с космических носителей Съёмка с космических носителей производится с высоты более 100 км по строго определённой орбите. При этом различают круговые орбиты и эллиптические. Аналогично аэрофотосъёмкам космические съёмки, в зависимости от покрытия территории Земли, разделяются на одиночные, маршрутные и площадные (глобальные).

К получению, использованию и распространению данных с космических фотографических систем в России имеют отношение несколько организаций: прежде всего, Госцентр «Природа» в структуре Федеральной службы геодезии и картографии, Совинформспутник и российские военные.

Госцентр «Природа» в основном имеет дело со снимками, полученными со спутников серии Ресурс-Ф. Ранее они запускались с периодичностью 2–5 раз в год специально для обеспечения потребностей гражданских отраслей народного хозяйства СССР. Спутники этой серии имели наклонение орбиты 82,3 градуса. Это значит, что для съёмки доступны широты от экватора примерно до 82,3 градусов в северном и южном полушарии. На спутники серии Ресурс-Ф устанавливались фотоаппараты: МК-4, КАТЭ-200, КФА-1000, КФА-3000. Камера КФА- использовалась как с чёрно-белой панхроматической плёнкой, так и со спектрозональной, а КФАпрактически только с чёрно-белой. Пространственное разрешение на местности камеры КФА-3000 до 2–3 м.

Военные космические фотосъёмки проводились с 1960-х гг., как в интересах собственно разведки, так и в интересах военно-топографической службы (для создания топографических карт на зарубежные территории). В основном это были снимки со спутников ТКК (Топографический Космический Комплекс) серии «Космос».

Многие из полученных материалов сегодня рассекречены.

Всё это чёрно-белые съёмки на панхроматическую плёнку камерой ТК и камерой высокого разрешения КВР-1000.

Камера ТК-350 позволяет получать особо точные по геометрическим параметрам изображения. Камера КВР-1000 панорамная, с движущимся объективом, поэтому на негативе получается длинный кадр, покрывающий на местности полосу 40180 км. Благодаря высоким характеристикам камер, снимки ТК-350 можно увеличивать до масштаба 1: 50 000, а снимки КВРдо 1: 10 000 без заметной потери качества.

В 1998 г. был запущен спутник «Комета» с фотокамерами ТК-350 и КВР-1000. Правами на эти данные владеет Совинформспутник.

В США принято решение о рассекречивании военных спутниковых съёмок, проводившихся по программам CORONA, ARGON и LANYARD с 1960 по 1972 гг. Эти снимки выдерживают увеличение практически без потери качества до масштабов 1: 7 500 — 1: 12 000.

1.18. Космические цифровые системы съёмки Из космических цифровых (сканерных) систем съёмки представляют интерес американские спутники серии LANDSAT, функционирующие с 1972 г. На спутниках LANDSAT устанавливали два типа цифровой аппаратуры: MSS (multispectral scanner) и TM (Thematic Mapper).

MSS снимает 4 зоны спектра.

Пространственное разрешение около 80 м, радиометрическое разрешение — 6 бит ( градации яркости в каждой зоне спектра). Сканер TM имеет 7 зон съёмки. Пространственное разрешение 30 м, радиометрическое разрешение — 8 бит (256 градаций яркости в каждой зоне спектра). Площадь кадра LANDSAT 185170 км (31 450 км2).

Американские метеоспутники NOAA запускаются с 1960 г. Их полярная орбита имеет наклонение 98,89 градусов, т.е. они в состоянии снимать практически всю поверхность Земли, включая полярные районы. Съёмки ведутся в 5 каналах, пространственное разрешение 1 100 м, полоса охвата 2 700 км.

Французская космическая система SPOT функционирует с 1986 г. Пространственное разрешение 10 м в чёрно-белом панхроматическом диапазоне и 20 м в многозональном режиме (три диапазона). Размер кадра 6060 км.

Индийские спутники IRS ведут съёмку в 4 диапазонах с разрешением около 20 м. Размер кадра 145 км.

Самое высокое пространственное разрешение на сегодняшний день имеют американские спутники Ikonos (1 м), Quick Bird II (61 см) и WorldView (47 см).

В России работают цифровые системы низкого и среднего разрешения на базе ИСЗ серии «Метеор», а также цифровые системы высокого разрешения на базе спутников серии «Ресурс-О»

и «Океан».

Снимки со спутника «Метеор» распространяет НПО «Планета» (Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды). Пространственное разрешение этих снимков 7001400 м, ширина полосы охвата 3 100 км.

Определённый интерес в целях использования в ГИС представляют снимки со спутников серии «Ресурс-О» и «Океан». Эти спутники оборудованы сканерами МСУ-Э (три диапазона съёмки, пространственное разрешение 40–45 м) и МСУ-СК (5 диапазонов съёмки, пространственное разрешение 160 м).

Радарные космические съёмки в России успешно вёл аппарат «Алмаз-1» в 1991–92 гг.

Пространственное разрешение на местности 10–15 м. Ширина полосы охвата 40–56 км.

Европейские спутники ERS-1 и ERS-2 имеют пространственное разрешение 26,330 м с полосой захвата около 100 км.

Японский спутник JERS-1 (FUYO-1) имеет пространственное разрешение 18 м с полосой захвата 75 км.

Канадский спутник RADARSAT, запущенный недавно, обеспечивает пространственное разрешение 9 м с полосой захвата 45 км.

Данные дистанционного зондирования Земли вводятся в компьютер посредством сканирования и хранятся, как правило, в растровой форме. Вообще, без ДДЗ сейчас уже не мыслима ни одна серьёзная ГИС. Значение данных дистанционного зондирования как информационного обеспечения ГИС постоянно растёт.

По мнению А.В. Кошкарева *Морфология рельефа, 2004+, этому способствуют технологические и технические причины:

рост пространственного разрешения систем сканерной съемки (например, космические снимки Quick Bird II имеют разрешение 61 см;

широкое распространение относительно недорогих и доступных цифровых фотограмметрических станций, в том числе на платформе персональных компьютеров;

появление принципиально отличного от стереофотограмметрического метода экстракции высот — интерферометрии, известной в приложениях к обработке радиометрических данных.

2. Материалы полевых съёмок 2.1. Использование геодезических приборов Несмотря на быстрый прогресс систем дистанционного зондирования, материалы полевых съёмок по-прежнему остаются одним из самых точных источников данных для ЦМР. В последнее время инструментарий полевых геодезических съёмок существенно обогатился и модернизировался. Вкратце рассмотрим основные инструменты.

Дальномеры используются для измерения расстояний. Сюда относятся рулетки (стальные, фиберглассовые и тканевые) и лазерные дальномеры. Лазерный дальномер излучает лазерный луч, который отражается от измеряемого объекта, и засекает с высокой точностью время хода луча. После этого на основе измеренного времени дальномер вычисляет расстояние до объекта *Скворцов А.В., 2006+.

Оптические нивелиры предназначены для измерения превышений. Нивелир состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси горизонтального круга, на котором установлена горизонтальная зрительная труба.

Лазерные уровни (лазерные нивелиры) предназначены также для измерения превышений. Лазерный уровень состоит из горизонтального быстровращающегося круга, на котором установлен лазерный излучатель. Перед началом работы лазерный уровень устанавливается оператором горизонтально с помощью регулировочных винтов и встроенного уровня. Некоторые модели лазерных уровней устанавливают горизонталь автоматически. После включения прибора в пространстве вокруг него образуется красная плоскость, видимая человеческим глазом. Для измерения уровня Земли в любой требуемой точке вокруг прибора нужно установить в этой точке обычную измерительную линейку. После этого останется записать значение, указываемое лазерным лучом в месте его пересечения с линейкой *Скворцов А.В., 2006].

2.1.1. Типы геодезических приборов Теодолиты позволяют измерять вертикальные и горизонтальные углы. Прибор состоит из вращающегося вокруг вертикальной оси горизонтального круга (лимба) с алидадой, на подставки которой опирается горизонтальная ось вращения зрительной трубы и вертикального круга. Перед началом работы с теодолитом оператор должен установить его строго горизонтально с помощью встроенного в прибор уровня, вращая регулировочные винты. После этого можно выполнять съёмку. Для этого оператор должен навести визир оптической трубы прибора на отражатель или измеряемый объект, а затем записать вертикальный и горизонтальный углы, показываемые прибором.

Тахеометром называют теодолит, совмещённый с дальномером. Современные электронные тахеометры оснащаются микрокомпьютерами, которые показывают на дисплее вычисленные углы и расстояния, а также могут сразу же преобразовывать их в координаты на местности. Тахеометры бывают отражательные и безотражательные. Отражательные тахеометры требуют для своей работы отражателей, устанавливаемых на вешках. Безотражательные тахеометры используют в своей работе мощный лазерный луч, который может отражаться от любых объектов на местности *Скворцов А.В., 2006+.

Лазерные сканеры по своим функциям похожи на электронные безотражательные тахеометры (измеряют углы и расстояния до любых объектов), но они выполняют измерения не по одной точке, указываемой оператором, а сразу пакетами. Сканеры перемещают лазерный луч по горизонтали и вертикали, снимая подряд все объекты, попадающиеся на пути. В результате образуется плотная сеть точек съёмки.

2.2. Использование мобильных приёмников систем спутникового позиционирования В последнее время помимо карт и ДДЗ стал активно использоваться новый источник пространственной информации для ГИС — данные, полученные с помощью приёмников систем спутникового позиционирования.

Выделяют спутниковые навигационные системы первого поколения, основными из которых являются: NNSS (TRANSIT) — США и ЦИКАДА — СССР.

К первому поколению принадлежит также международная система обнаружения терпящих бедствие COSPAS-SARSAT. Ко второму, современному, поколению относятся системы GPS (NAVSTAR) — США и ГЛОНАСС (GLONASS) — Россия. Их разработки велись в 1970–90 годах.

Американская система GPS (Global Positioning System) NAVSTAR, развёрнутая по заказу Министерства обороны США, была введена в эксплуатацию в 1988 году, а полностью развёрнута в 1993 году.

Несмотря на то, что эксплуатацию этой системы, включая сеть контрольных станций, координирует Министерство обороны США, системой разрешено пользоваться всем гражданским организациям бесплатно.

Ограничение касается только точности определения координат.

Официально открытый для всех радионавигационный сигнал, позволяющий определять абсолютные географические координаты с точностью до 10 м, может быть в любой момент закрыт (закодирован) МО США, и тогда из-за зашумления сигнала точность измерений падает до 100 м.

Такое уже случалось во время войны в Персидском заливе.

Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС Военно-космических сил России официально принята в эксплуатацию в сентябре 1993 г., в марте 1995 г. постановлением Правительства Российской Федерации открыта для гражданского применения. В настоящее время система ГЛОНАСС находится в стадии восстановления спутниковой группировки. Совместное использование радионавигационных полей ГЛОНАСС и NAVSTAR существенно повысит надёжность и точность измерений. Также идут работы по развёртыванию европейской системы Galileo. Заявил о создании своей системы спутникового позиционирования и Китай.

Выделяют три сегмента систем спутникового позиционирования:

подсистема наземного контроля и управления (control-segment), сеть наземных станций которого обеспечивает спутники точными координатами (эфемеридами);

подсистема созвездия спутников (space-segment) состоит из 24 космических аппаратов, оснащенных несколькими атомными цезиевыми стандартами частоты-времени и постоянно передающих на частотах L1 и L2 сигналы для измерений псевдодальностей кодовым и фазовым методами, метки времени и другие сообщения, необходимые для позиционирования. Длины несущих волн на всех спутниках GPS соответственно равны 19,0 и 24,4 см, а частоты находятся в строгом отношении 77/60. В ГЛОНАСС (GLONASS) у каждого спутника свои несущие частоты, находящиеся в соотношении 9/7, длины волн близки к 18,7 и 24,1 см;

подсистема аппаратуры пользователей (user-segment) включает примники позиционирования с антеннами, накопителями результатов измерений, прочим оснащением и программным обеспечением обработки данных.

2.3. Спутниковые навигационные системы Спутниковые навигационные системы реализуют способ определения координат объектов методом пространственной линейной засечки. В качестве визирных устройств с известными координатами используются навигационные спутники, а в качестве устройства для измерения координат — антенна с электронным вычислительным блоком (приёмник).

Практическая реализация данного метода стала возможной благодаря созданию микрокомпьютеров и передовой технологии радиоэлектроники, обеспечивающей приём довольно слабых сигналов от спутников на небольшие по размерам антенны.

Размер современных GPS-приёмников не превышает размера микрокалькуляторов. Чтобы обеспечить решение обратной засечки, необходимо, чтобы на околоземной орбите находилось не менее 18 спутников.

Такое количество спутников позволяет наблюдать в любой точке земного шара одновременно не менее 4-х спутников.

Требуемая высокая стабильность и точность пространственных координат спутников обеспечивается постоянным контролем за их орбитами сетью наземных станций, над которыми каждый спутник пролетает не реже 2-х раз в сутки.

Достоинством спутниковых систем позиционирования является их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность, эффективность.

Используют их в геодезии, картографии, географии, землеустройстве, сельском хозяйстве, авто-, авиа-, морской навигации, в иных сферах.

Многие фирмы (Magellan, Ashtech, Rockwell, Trimble Navigation (США), Leica Geosystems (Швейцария), Carl Zeiss (Германия)) выпускают приёмники позиционирования, специально ориентированные на сбор данных для ГИС.

Системы спутниковой навигации используются, как правило, для определения координат. При этом точность определения координат зависит от количества и типов приёмников. Мобильные приёмники (рис. 21) обеспечивают невысокую точность — обычно 4—10 м. Однако их низкая стоимость (от 100 $) обеспечивает им широкое распространение. Стационарные приёмники стоят на порядок дороже, но обеспечивают гораздо более высокую точность (в паре — до сантиметров).

В некоторых приёмниках (например, серии Garmin Etrex Vista) содержатся функции измерения высот и построения профилей рельефа, как правило, на основе встроенного барического высотомера.

Однако его точность мала — обычно несколько метров по высоте и сильно зависит от погодных условий и возможности калибровки.

Поэтому высотомер имеет смысл использовать лишь в горных районах на маршрутах с большим перепадом высот и при работах, не требующих высокой точности.

Но с учётом наличия пространственной привязки эти данные могут представлять интерес при создании ЦМР.

Так как большинство GPS-приёмников зарубежного производства используют параметры эллипсоида WGS-84 и картографической проекции UTM, то важной особенностью при выборе GPS-приёмника является возможность задать свои параметры эллипсоида, системы координат и картографической проекции.

Это позволит, например, настроить приёмник для работы в проекции Гаусса-Крюгера и системе координат 1942 г. (эллипсоид Красовского с целью проводить измерения в той же проекции, что и отечественные топокарты.

3. Форматы графических данных в ГИС В геоинформационных системах получили широкое распространение как векторные, так и растровые способы представления графических данных. Обычно пространственная информация в ГИС представлена в виде слоёв. При этом каждый слой, наряду с графической информацией, содержит и атрибутивную, т. е. описательную (как правило, в виде реляционной базы данных, привязанной к графическим объектам на карте).

Поэтому ГИС-форматы зачастую представлены не одним, а несколькими файлами: файлом с графикой, файлом с базой данных, индексным файлом для связи графики с базой данных и т. п.

Поскольку каждый ГИС-пакет имеет собственный формат данных, то возникают сложности при экспорте данных из одной программы в другую.

Из наиболее популярных векторных ГИС-форматов следует упомянуть шейп-файлы ArcView GIS (ESRI Inc.), покрытия ArcInfo (ESRI Inc.), базы геоданных ArcGIS (ESRI Inc.) и таблицы MapInfo (MapInfo Corp.).

Широкое применение в ГИС получили также векторные форматы САПР: DWG, DXF AutoCAD (Autodesk Inc.) и DGN MicroStation (Bentley Corp.). Из растровых ГИС-форматов можно отметить GRID ArcInfo.

Цифровые данные дистанционного зондирования обычно поставляются в закрытых форматах спутниковых систем, а затем конвертируются для дальнейшей работы в растровый формат IMG ERDAS Imagine (Leica Geosystems) или некоторые другие.

3.1. Формат ArcGIS Формат базы геоданных получил широкое распространение после выхода первого полнофункционального ГИС-пакета ArcGIS 8 (ESRI Inc.). Полнофункциональным отечественным аналогом ГИС-пакета ArcGIS 8 является многофункциональная модульная ГИС «Панорама»

База геоданных представляет собой набор географических наборов данных различных типов. Ключевым понятием базы геоданных является понятие набора данных, являющегося главным механизмом организации и использования географической информации в ArcGIS. База геоданных содержит три основных типа наборов данных:

Классы пространственных данных;

В настоящее время (начиная с версии ArcGIS 9) доступны три формата баз геоданных:

Корпоративные (для хранения громадных массивов пространственных данных в крупных организациях, при этом используются внешние мощные СУБД — например, Oracle);

Персональные (имеют ограничение объма — 2 Гб, но зато вся база геоданных хранится в одном файле формата Microsoft Access (MDB));

Файловые (нет ограничения по объму, база геоданных хранится в виде папки на диске).

Шейп-файл (Shapefile) является внутренним форматом графических данных ГИС-пакетов ArcView GIS и (позднее) ArcGIS. Шейп-файл (файл форм) — это однородный набор пространственных объектов, которые могут иметь форму точки, мультиточки, полилинии или полигона. Полигоны должны быть представлены в виде замкнутых фигур. Каждый объект в шейпфайле представляет собой один географический объект в совокупности с его атрибутами.

Геометрия объекта хранится как форма, содержащая набор векторных координат. Шейп-файл состоит из трёх основных файлов: главного файла, индексного файла и таблицы dBase *Zeiler M., 1999+. Каждый файл в шейп-файле имеет одно и то же имя, но разное расширение. Главный файл — это файл прямого доступа с расширением SHP, содержащий пространственные данные (записи, каждая из которых описывает объект при помощи списка вершин с координатами). Индексный файл имеет расширение SHX. Таблица dBase имеет расширение DBF и содержит любую атрибутивную информацию об объектах или атрибутивные ключи, по которым могут быть присоединены другие атрибутивные таблицы. Каждая строка таблицы соответствует только одному объекту в главном файле. Все эти файлы, образующие шейп-файл, представлены как один класс пространственных объектов (либо точечный, либо линейный, либо полигональный). Таким образом, каждый шейп-файл — это один слой географических данных (например, реки, дороги, горизонтали, высотные отметки, ландшафтные комплексы и т. п.). Так как шейп-файлы не содержат топологической надстройки, они имеют ряд преимуществ перед другими источниками данных, например, более быстрая отрисовка и возможность редактирования. Они обычно требуют меньше дисковой памяти и более просты при чтении и записи.

Покрытие (Coverage) — это формат представления векторных данных ГИС-пакета ArcInfo.

Покрытия объединяют пространственные и атрибутивные данные, а также хранят топологические связи между объектами.

Пространственные данные хранятся в двоичных файлах, а атрибутивные и топологические данные хранятся в таблице INFO.

Каждое покрытие содержит географические объекты одного слоя и хранится на диске в виде отдельной папки с двоичными файлами, которые имеют расширение ADF. Папка покрытия может иметь любое название.

Объектами покрытия могут быть основные объекты (дуги, узлы, полигоны и метки) и вторичные объекты (тики (точки привязки), связи и аннотации).

Атрибутивные таблицы данных, связанные с объектами, описывают и хранят атрибуты этих объектов в файлах DAT внутри папки INFO. Таким образом, данный формат предусматривает хранение данных, как минимум, в двух папках (если описывается один слой).

Если каталог содержит несколько покрытий (слоёв), то на каждое из них приходится по отдельной папке с произвольным названием плюс одна общая папка INFO. Географические данные в формате покрытия, помимо ArcInfo, читаются некоторыми ГИС-программами (например, ArcView GIS, ERDAS Imagine).

Формат таблицы (Table) MapInfo используется для представления векторных пространственных данных в ГИС-пакете MapInfo. Подобно шейп-файлу ArcView GIS, этот формат включает несколько файлов с одинаковыми именами, но разными расширениями: главный файл прямого доступа (расширение TAB), файл с графической информацией (MAP), файл с атрибутивными данными (DAT) и индексные файлы (IND, ID).

Формат GRID является растровым форматом ГИС-пакета ArcGIS. Значения ячеек растра в GRID могут представлять как количественные данные (например, абсолютная высота, экспозиция склонов, концентрация загрязнения), так и качественные данные (тип растительности, почвы и т.п.).

Ячейки имеют ассоциированные атрибуты и схему раскраски. Как и покрытие ArcInfo формат GRID хранится на диске в виде набора файлов в двух папках: одна папка с произвольным названием (в ней хранятся пространственные данные в файлах ADF), а другая — папка INFO (в ней хранятся атрибутивные данные). Для быстрого отображения больших растров используются пирамидные слои (pyramids).

GRID поддерживает растры 32-разрядных целых значений и значений с плавающей запятой длиной 32 бита. GRID используется для отображения как дискретных, так и непрерывных явлений, а также для пространственного моделирования и анализа потоков, трендов и поверхностей (например, для построения цифровых моделей рельефа в геоморфологии).

Растровый формат IMG создаётся с помощью системы обработки изображений ERDAS Imagine и хранится на диске в виде файла с одноимённым расширением.

Этот файл может содержать полутоновые и дискретные, одноканальные и многоканальные растры. Формат IMG используется для хранения ДДЗ (например, спектрозональных космических снимков) и читается многими ГИС-пакетами напрямую (например, ArcGIS).

Сравнительная характеристика графических форматов первой полнофункциональной ГИС Shapefile shp, shx, dbf векторный ESRI геоданных Форматы ГИС Панорама будут рассмотрены в конце лекции и выданы в виде раздаточного материала в электронном виде Примеры практического использования пространственного анализа в ГИС построение тематических карт важнейших морфометрических показателей расчт уровней и площадей затопления при паводках на реках вычисление направлений геохимических миграций на основе поверхностного стока и прогноз зон подтопления анализ зон видимости при выборе смотровых площадок на туристских маршрутах построение карт пластового давления нефти на основе данных скважин и контура автоматизированное выделение геоморфологических границ в долинах равнинных рек на основе морфометрического анализа и вычисление среднего уклона ландшафтов 4.1. Построение тематических карт важнейших морфометрических показателей Так как ЦМР является компьютерной базой данных, где могут храниться данные не только о высоте, но и о крутизне и экспозициях склонов (как, например, в модели TIN), то построение соответствующих тематических карт происходит практически «на лету». Главной задачей становится правильное создание легенды построенной карты.

При создании легенды гипсометрической карты следует использовать традиционную общепринятую для подобных карт цветовую гамму: от тёмно-зелёных тонов к коричневым. Такая цветовая гамма входит в стандартный набор цветовых схем многих полнофункциональных ГИСпакетов.

Диапазоны значений высот должны быть подобраны таким образом, чтобы условных знаков было не слишком много, но достаточно для передачи смысла карты. В градациях лучше использовать круглые значения высот: например, через 10, 20, 50 или 100 м. Для придания эффекта «рельефности» часто используется теневая отмывка с заданным азимутом освещения (положения Солнца). Теневая отмывка рельефа также используется для придания «реалистичности» трёхмерным моделям и виртуальным геоизображениям (пример — виртуальная модель участка долины Томи в районе Лагерного сада, в которой используется освещение сцены при северо-западном (вечернем летнем) положении Солнца (автор — В.В. Хромых)).

4.2. Расчт уровней и площадей затопления при паводках на реках Одно из важнейших применений ЦМР — расчёт уровней и площадей затопления при паводках на реках с целью прогноза и предупреждения возможных неблагоприятных последствий (пример — моделирование затопления города с помощью программы Virtual GIS пакета ERDAS Imagine (Leica Geosystems)).

Вычисление направлений геохимических миграций на основе поверхностного стока и прогноз зон подтопления На основе ЦМР можно смоделировать направления поверхностного стока (одна из стандартных функций большинства программ, работающих с ЦМР) и, в результате, рассчитать пути возможных геохимических миграций, например, загрязняющих веществ.

4.4. Анализ зон видимости при выборе смотровых площадок на туристских маршрутах При выборе смотровых площадок на туристских маршрутах большую помощь может оказать такая функция многих ГИС-пакетов, как построение карт зон «видимости» на основе ЦМР.

В программе ArcScene комплекса ArcGIS (ESRI Inc.) даже реализована возможность «поставить»

наблюдателя на какую-то точку модели рельефа и получить трёхмерное изображение того, что наблюдатель «увидит», находясь на этой точке.

Программе достаточно лишь указать интересующую точку и система сама повернёт трёхмерную модель соответствующим образом.

Точно также программа ArcScene позволяет «приблизить» наблюдателя к интересующим объектам.

4.5. Построение карт пластового давления нефти на основе данных скважин и контура Один из самых распространённых примеров использования пространственного анализа в нефтяной отрасли — расчёт пластового давления нефти в зоне отвода нефтяного месторождения на основе данных по скважинам и по контуру с построением соответствующих тематических карт и диаграмм. Как правило, подобная задача осложняется тем, что во многих нефтегазодобывающих управлениях (НГДУ) карты скважин хранятся в закрытых форматах узкоспециализированных программных пакетов, и нет возможности их конвертировать в формат ArcGIS.

Первым шагом в программу ArcMap добавляется слой событий — на основе полей с X и Y координатами базы данных по скважинам.

Вторым шагом производится экспорт добавленных точек скважин в формат ArcGIS (например, в шейп-файл).

Путём атрибутивного запроса к базе данных слоя скважин выбираются скважины, у которых давление не равно нулю.

С помощью операции Merge слой скважин с ненулевым давлением объединяется со слоем точек контура с постоянным давлением и формируется слой исходных точек для интерполяции и построения цифровой модели поверхности, где в качестве Z-данных используется давление нефти.

Методом сплайна в модуле ArcGIS Spatial Analyst строится тематическая карта пластового давления нефти на месторождении.

На основе зональной статистики по «ячейкам» месторождения вычисляются средние, минимальные и максимальные значения давления нефти в каждой «ячейке» с построением соответствующих диаграмм.

Точное земледелие - термин, который все чаще и чаще используется в настоящее время. Его можно встретить в Интернете, в большинстве научных журналов. Что же такое точное земледелие? Для одних это применение спутников, электронных датчиков и карт, необходимых для производства работ, которые наши деды выполняли, используя пару острых глаз, щепотку земли и хорошую память, для других управление каждым фактором, влияющим на развитие растения (удобрения, мелиоранты, гербициды, пестициды, семена), на основе данных о состоянии каждого элементарного участка поля с целью снижения потерь, увеличения прибыли и уменьшения загрязнения окружающей среды.

Приведем некоторые из определений точного земледелия:

"Точное земледелие - совокупность технологий, технических средств и систем принятия решений, направленных на управление параметрами плодородия, влияющими на рост растений. Среди этих параметров могут быть содержание органического вещества, питательные элементы почвы, рельеф, наличие влаги в почве, засоренность сорняками".

"Точное земледелие - интегрированная информационная и производственная с.-х.

система, направленная на оптимизацию долговременной, изменяющейся в рамках всего хозяйства продуктивности при минимальном отрицательном воздействии на окружающую среду".

"Точное земледелие - физическое и финансовое дифференцированное управление с.-х.

операциями, которое обеспечивает постоянный контроль, надежность и воспроизводимость результатов в с.-х. производстве, что способствует снижению затрат, вариабельности и повышению предсказуемости результатов".

Концепция, основанная на воздействии на элементарные участки поля как на объект управления, не является новой. Если задаться вопросом, какой наименьший участок поля необходимо взять, то это будет участок с отдельно взятым растением. Не так ли поступали первые товаропроизводители, когда они сажали и удобряли растения вручную? Конечно, при сегодняшнем крупномасштабном с.-х. производстве невозможно возделывать отдельно взятое растение без наличия уникальной технологии.

По мере того как сельское хозяйство становилось механизированным, товаропроизводители стали рассматривать поле как самый малый объект для принятия управленческих решений. Они отказались от воздействия на более малые участки поля, чтобы более эффективно использовать преимущества высокопроизводительной техники. Возделывая большие площади на основе усредненных показателей, товаропроизводители затрачивают меньше времени и обрабатывают большие площади за один день. Преимущества, обусловленные высокой производительностью, значительно превосходят выгоды от возделывания поля с учетом свойств его отдельных участков.

Появившиеся в последнее время системы позиционирования, быстродействующие вычислительные средства позволяют товаропроизводителям измерять, анализировать и учитывать изменчивость параметров плодородия в пределах отдельно взятого поля при выращивании сельскохозяйственной продукции.

Концепция повышения эффективности с.-х. производства посредством дифференцированного воздействия на систему «почва-растение» с учетом пространственной и временной изменчивости параметров плодородия и состояния растений заслуживает самого серьезного внимания.

Применение основных принципов точного земледелия в процессе разработки технологий и технических средств производства с.-х. продукции лежит в основе ресурсо-энергосохраняющего и экологически безопасного производства.

В данной работе основные принципы точного земледелия проиллюстрированы на примере дифференцированного применения удобрений.

24. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Развитию точного земледелия (ТЗ) послужила необходимость повышения эффективности с.-х. производства посредством учета пространственно-временной изменчивости параметров почвы и растений в пределах поля.

До Первой мировой войны сельхозпроизводители владели сравнительно небольшими участками земли, контуры которых проходили по естественным границам, таким как реки и типы почв. Это позволяло им обрабатывать небольшие участки земли путем применения ручного труда с учетом их свойств, т.е. дифференцированно. Однако с расширением полей, интенсификацией производства и применением механизации во второй половине прошлого столетия обрабатывать различные участки земли дифференцированно в пределах поля без существенных изменений в традиционных с.х. технологиях не представлялось возможным.

Основной предпосылкой к быстрому развитию в последние годы ТЗ явилось создание в конце 1970-х годов глобальных систем позиционирования, основанных на системе спутников, выведенных на околоземную орбиту в военных целях. Эта система позволяет круглосуточно определять координаты объектов в трехмерном пространстве в любой точке околоземного пространства с точностью до нескольких сантиметров.

Использование систем глобального позиционирования мобильных с.-х. агрегатов позволяет дифференцированно воздействовать на различные участки поля и растения.

Первые идеи ТЗ в современном его понимании были уже заложены в начале ХХ столетия. В работах *1, 2, 4+ изложено концептуальное понимание автоматизации, сенсорных систем, систем позиционирования и «информационных технологий», которое позволяет существенно видоизменить производство растениеводческой продукции. Было предсказано, что управление машинами в процессе производства растениеводческой продукции будет автоматическим, позволяющим выбирать оптимальные способы возделывания с.-х. культур, исходя из свойств почвы, состояния растений и климатических особенностей. При этом некоторая информация о почве и растениях может быть получена посредством мобильного средства и сохранена в бортовом компьютере. Этот компьютер в свою очередь может быть снабжен программами, обеспечивающими принятие решения в реальном режиме времени, основываясь на оптимальных локальных решениях для управления технологическими операциями, такими как внесение удобрений и других средств химизации.

Одни из первых операций ТЗ были осуществлены в 1988 г. на мобильном агрегате для смешивания и внесения минеральных удобрений, разработанном в США *8+. При этом использовали карту применения удобрений, основанную на фотоснимках и координатной сетке поля. Мобильное средство позиционировали с помощью недостаточно эффективной в те годы системы GPS. Исследования были продолжены в 1990 г., так как в это время глобальные системы позиционирования стали более надежными и точными.

Выполненный анализ влияния неравномерности распределения параметров плодородия на урожайность с.-х. культур показал, что при внесении удобрений с одной дозой на все поле, даже с высоким качеством распределения, существенно снижается их окупаемость. При таком способе внесения более плодородные участки, получая ту же дозу питательных веществ, что и менее плодородные, накапливают фосфор и калий в почве, а менее плодородные участки расходуют запасы питательных веществ почвы.

Таким образом, одни участки поля становятся все более плодородными, в то время как другие постоянно истощаются. Несмотря на это, при разработке программ применения удобрений для каждого поля рассчитывают свою дозу, исходя из усредненных показателей *10, 13, 15+.

С целью получения информации (количественных и качественных характеристик распределения питательных элементов по полю), необходимой для обоснования требований к технологиям, функциональным схемам и рабочим органам машин для дифференцированного внесения удобрений, в ПЭБ ВИМ были проведены исследования пестроты параметров плодородия опытного поля. Статистический анализ полученных данных показал, что содержание питательных элементов, органического вещества и кислотности меняются в широких пределах. Так, коэффициент содержания углерода (C) составляет 24,6%, фосфора (P2O5) - 38,9%, калия (K2O) - 28,8%.

Гистограмма распределения азота (N) на опытном участке по элементарным площадкам представлена на рисунке 1.1. Распределение кислотности по участкам поля и питательных элементов P, K носит аналогичный характер.

Поэтому использование модели единообразия параметров плодородия каждого отдельно взятого поля, предусматривающей повышение эффективности применения удобрений посредством более равномерного распределения их по всей обрабатываемой площади, может быть сдерживающим фактором дальнейшего совершенствования как технологий, так и технических средств для их осуществления.

Чтобы устранить этот недостаток, необходимо обеспечить внесение удобрений на одном и том же поле дифференцированно, с учетом запаса питательных веществ на каждом участке поля и планируемой урожайности.

Планирование применения удобрений на конкретном поле приобретает все большую актуальность в связи с ужесточением требований к охране окружающей среды, сужением границ эффективного применения удобрений.

В настоящее время в ряде зарубежных стран, таких как США, Германия, Израиль, ведутся работы по созданию технологий и технических средств для дифференцированного поверхностного и локального внесения минеральных и органических удобрений, мелиорантов в соответствии с оптимальной программой их применения *11, 13+. Исследуются возможности новой технологии, в которой средства химизации применяются на с.-х. поле в строго нормированных дозах и только там, где они необходимы.

Технология дифференцированного внесения удобрений предполагает широкое использование компьютеров, программных средств - геоинформационных систем (ГИС), данных дистанционного зондирования *10+. Такие ГИС содержат информацию, необходимую для рационального применения удобрений. Например, данные о содержании в почве гумуса, фосфора, калия.

Преимущество компьютерной технологии состоит в том, что она позволяет земледельцам вести агропроизводство на экологически чистой основе, ориентированное на экономию удобрений, получение запрограммированных урожаев и предохранение окружающей среды от загрязнения *3+.

Для системы применения удобрений, базирующейся на учете характеристик отдельных участков поля, необходимы данные об урожайности, типе почвы и содержании питательных элементов каждого участка и жесткая их привязка к конкретному полю, где были взяты пробы *9+.

Почвенная карта поля с учетом уровня плодородия почвы по элементарным участкам составляется на основе точного отбора проб почвы в реальном масштабе времени, контролируемого глобальной системой позиционирования. Карта урожайности и состояния посевов составляется на основе оценки урожайности на элементарных участках поля в период уборки, а также оперативной листовой диагностики состояния растений.

Дифференцированное внесение удобрений с учетом их количества на каждой координатной площадке, подбор рациональных сортов возделываемой культуры, регулирование нормы высева и сроков посева способствуют лучшей приспосабливаемости семян к состоянию поля.

Избирательная защита растений, дробное внесение азотных удобрений в период вегетации растений обеспечивают более высокую экономическую эффективность.

Дифференцированное внесение удобрений с учетом плодородия отдельных участков поля не предполагает выравнивания пестроты плодородия всего поля, а направлено на более эффективное использование удобрений.

При этом необходимо вносить больше удобрений на те участки поля, которые более отзывчивы к удобрениям, и меньше на остальные.

В конечном итоге это приведет к более правильному с агрономической точки зрения применению удобрений, большей рентабельности и меньшему загрязнению окружающей среды.

Технологический процесс дифференцированного применения удобрений в системе точного земледелия представляет собой сложную систему, включающую набор технологических операций и технических средств. Основу системы точного земледелия составляют:

банк данных об урожайности с.-х. культуры, истории применения удобрений, которые представляются в системе координат, жестко связанной с конкретным программное обеспечение, позволяющее графически представлять полученную информацию, анализировать ее и принимать управленческие решения по необходимому воздействию на каждый из участков поля со своими координатами;

дифференцированного внесения средств химизации в принятой системе позиционирования.

Проблема дифференцированного внесения удобрений может быть решена лишь совместными усилиями ученых разного профиля. Это обусловлено необходимостью решения как агротехнических задач дифференцированного внесения удобрений, так и механико-технологических.

К агротехническим задачам относятся:

определение оптимальных значений параметров плодородия и их рационального соотношения для получения планируемого урожая;

разработка методов оценки параметров плодородия (методики взятия проб и их анализа) и математического обеспечения для построения карты плодородия конкретного поля;

анализ существующей пестроты плодородия конкретного поля и влияния ее на потенциальную урожайность основных с.-х. культур;

определение дозы или величины воздействия на тот или иной показатель в зависимости от количества его в почве и уровня, который необходим для получения запрограммированной урожайности;

определение степени дифференциации воздействия на тот или иной показатель плодородия с целью получения заданного конечного эффекта при минимальных затратах на выполнение операций.

К механико-технологическим задачам относятся:

разработка исходных требований к технологиям, функциональным схемам и рабочим органам машин для дифференцированного воздействия на тот или иной фактор плодородия на основании данных об изменчивости этого фактора, планируемой урожайности данной с.-х. культуры, средствам автоматизации контроля и управления технологическим процессом, обоснование параметров рабочих органов и режимов их работы;

разработка систем позиционирования с.-х. агрегатов для дифференцированного внесения удобрений в масштабе реального времени;

разработка технологий и высокоадаптивных технических средств для дифференцированного внесения удобрений в координатной системе земледелия;

оптимизация показателей качества выполнения технологического процесса дифференцированного внесения удобрений и выработка стратегии выполнения техпроцесса;

разработка экономико-математической модели оптимизации параметров технологического процесса дифференцированного внесения удобрений на конкретном поле с известными количественными и качественными характеристиками плодородия;

разработка рекомендации по контролю и управлению качеством выполнения технологического процесса дифференцированного внесения удобрений.

Концепция точного земледелия может быть использована на всех этапах возделывания с.-х. культур – от предпосевной обработки почвы до уборки урожая.

Переход от технологий, базирующихся на усредненных показателях параметров плодородия и других характеристик состояния поля и посевов, к дифференцированному воздействию на систему "почва-растение" потребует от производителей с.-х. техники новых подходов.

В настоящее время во многих научно-исследовательских организациях в передовых стран мира ведутся интенсивные исследования по разработке новых машин и оборудования, отвечающих новым тенденциям в развитии технологий [11, 14].

Технология дифференцированного применения удобрений базируется на трех технологических блоках (рис.1.2).

Определение координат агрегата на поле. Это может быть осуществлено наземными или космическими системами позиционирования. Есть основания считать, что в ближайшем времени будет преобладать дифференцированная глобальная система позиционирования (DGPS).

Автоматизированный сбор, хранение и обработка информации о состоянии почвы, растений, визуализации этой информации в виде электронных карт (GIS), принятие оптимальных управленческих решений.

Машины, системы контроля и управления технологическим процессом дифференцированного воздействия на систему "почва+растение" в принятой системе позиционирования.

Рис.1.2. Основные элементы блоков технологии дифференцированного применения удобрений Учитывая, что два первых элемента широко используются в других отраслях народного хозяйства, они быстро развиваются вне рамок сельского хозяйства. На разработке машин, систем контроля и управления технологическим процессом должны быть сосредоточены усилия с.-х. инженеров.

25. СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Одной из основных составляющих технологии дифференцированного применения удобрений является система позиционирования, а основным элементом ее служит приемник сигналов GPS. Применение GPS позволяет товаропроизводителям точно, автоматизировано в реальном масштабе времени определять координаты при отборе проб, вносить удобрения на отдельные участки поля, составлять карты урожайности, определять границы поля, точное местоположение сорняков, вредителей растений, рельеф местности.

В большинстве случаев достаточно знание координат на плоскости - х и у. Для более сложных операций может понадобиться знание и z- координаты. Системы позиционирования можно в зависимости от требований к точности подразделить на класса (табл. 2.1) *1+.

Таблица 2.1. Требования к точности систем позиционирования точность

26. МОНИТОРИНГ УРОЖАЙНОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ

КУЛЬТУР

Многие решения, принимаемые во время выращивания с.-х. культур, основываются на учете урожайности. Данные об урожайности той или иной культуры на конкретном поле позволяют товаропроизводителю принимать более правильные и обоснованные решения о дозах внесения удобрений, делать выводы о том, насколько эффективно производство на данном поле.

Товаропроизводители, агрономы и исследователи подразделяют факторы, влияющие на урожайность, на природные и антропогенные (табл. 3.1) *3, 5, 9, 12+.

Таблица 3.1.Причины, влияющие на изменчивость урожайности Причины неравномерности Примеры урожайности Природные факторы Погода Причины неравномерности Примеры урожайности Взаимодействие между почвой и влагой Физические и химические свойства Склоны и другие характеристики участков Зараженность вредителями Факторы, обусловленные управленческими решениями Состояние посевов История поля Окультуривание и ошибки, допущенные при выполнении технологических операций Ранжировать факторы по степени влияния их на урожайность довольно сложно, так как они меняются из года в год. В дополнение к этому многие из них взаимодействуют между собой как во времени, так и в пространстве *1, 2, 16+. Например, изменение глубины пахотного слоя влияет не только на водоудерживающую способность участка, но и на содержание питательных элементов, доступных растению, аэрацию почвы, корнеобразование и т.д. Наличие влаги, включая как ее избыток, так и дефицит, существенно влияет на урожайность с.-х. культур. Почвоведы и агрономы хорошо знают, что урожайность пропорциональна величине поглощенной растением воды или испаренной. Так, модель развития растения, базирующаяся только на поглощении растением влаги, объясняет на 69% изменчивость урожая сои в штате Айова *18+.

Составление карт урожайности поля стало в последнее время общей практикой среди товаропроизводителей США. Некоторые поля уже имеют трех-пятилетнюю историю, представленную в картах урожайности.

Ценность карт зависит от того, насколько правильно они будут проанализированы.

Главная цель интерпретации карт урожайности - увеличение прибыльности за счет лучшего понимания природных и антропогенных причин, обусловливающих изменчивость урожайности в пределах одного поля. Очевидно, что информация, представленная на карте, имеет определенную погрешность, которая может быть исправлена *7, 8, 30+. Погрешности должны быть отделены от реальной изменчивости урожайности по полю для более точной интерпретации карты. Для успешной интерпретации карт привлекается дополнительная информация о поле. Для эффективной оценки влияния всей совокупности факторов на урожайность используют ГИС, устанавливающие связь между урожайностью и другими характеристиками поля.

На основе данных об урожайности товаропроизводитель может судить о преимуществах или недостатках конкретной технологии возделывания данной культуры. Изучая изменчивость урожайности в рамках одного поля (на элементарных участках), товаропроизводитель может определить причины, вызывающие это, и устранить их.

Наиболее удобная форма представления информации об изменчивости урожайности - карта урожайности, показывающая урожайность на отдельных участках с жесткой привязкой к определенной системе координат *11, 22, 24, 28, 29, 33, 34+.

За последние пять лет в Северной Америке количество мониторов урожая зерновых, установленных на зерновых комбайнах, возросло от 100 до 25 000 штук *14+. Почти половина из них подсоединена к приемникам DGPS для составления карт урожайности.

Это оборудование совместно с компьютером, принтером и соответствующим математическим обеспечением позволяет товаропроизводителю составлять цветные карты урожайности, которые отражают изменчивость урожая при переходе от одного участка к другому. Товаропроизводители надеются с помощью этой информации раскрыть секреты изменчивости урожайности в пределах одного поля, повысить эффективность их производства и увеличить чистую прибыль. Несмотря на то, что карты стали доступны многим товаропроизводителям, их интерпретация значительно сложнее, чем они ожидали и их консультанты.

Многие факторы, влияющие на урожайность, взаимозависимы. Ключом к интерпретации карт является более глубокое понимание причин, вызывающих изменение урожая, и выявления тех из них, которые обусловлены действиями самого товаропроизводителя во время выращивания соответствующей с.-х.

культуры. Составление карт урожайности эффективно лишь в том случае, когда эта информация будет использована для более обоснованного принятия решения. В настоящее время ведутся работы по автоматизации процесса составления карт урожайности с использованием последних достижений в электронике и глобальном позиционировании *19, 34+. Несмотря на то, что технология составления карт урожайности широко внедряется в жизнь товаропроизводителей, много технических вопросов остаются не решенными. Так, например, определение урожайности и координат агрегата сопряжено со многими случайными и систематическими ошибками *4, 5, 19, 20+. Поэтому при составлении карты необходимо принимать меры, чтобы избежать погрешностей *23+. Используемое в настоящее время математическое обеспечение корректирует данные об урожайности, прежде чем представить их в виде карты. Но даже принимая во внимание имеющиеся погрешности при определении урожайности с.-х. культур по карте урожайности, можно определить причины, вызвавшие изменчивость урожайности по полю (рис. 3.1) *11,10, 17+.

Более эффективное использование карты урожайности может быть достигнуто посредством объединения информации об урожайности с другой информацией о поле, такой, например, как рельеф, распределение элементов питания и др.

Для получения информации, необходимой для построения карты урожайности, на комбайн устанавливают ряд датчиков (рис. 3.2).Сердце системы картографирования датчик урожайности, измеряющий урожайность либо непосредственно взвешиванием, либо опосредованно. В настоящее время имеется много различных датчиков для определения урожайности (рис. 3.3-3.5). Для получения достоверной информации об урожайности нужны высокоточные датчики. Однако даже при точной оценке массы зерна, поступающего в бункер, не всегда удается точно определить урожайность. Это обусловлено рядом причин:

изменением геометрии потока зерна;

нарушением характеристик датчика, например, из-за изменения температуры окружающей среды или вибрации комбайна;

изменением влажности зерна или его плотности;

засоренностью потока зерна различными включениями.

Рис. 3.2. Основные элементы монитора урожайности,устанавливаемые на зерновых В связи с этим погрешность при определении урожайности существующими мониторами урожайности составляет 3-8% [26, 31].

Рис. 3.3. Весовой датчик урожайности фирмы Сlaas Рис.3.4. Объемный датчик урожайности RDS Ceres

27. ОТБОР ПОЧВЕННЫХ ПРОБ И ИХ АНАЛИЗ

Исторически сложилось так, что методы отбора почвенных проб для анализа содержания питательных элементов в почве возделываемого поля были направлены на получение средних значений показателей для всего поля *1, 2, 11+.

Считалось, что они с достаточной степенью точности характеризуют содержание питательных элементов в почве и могут быть использованы для определения доз внесения удобрений для всего поля. Такой подход был оправдан при малом содержании питательных элементов в почве и дешевых удобрениях.

Удорожание минеральных удобрений и увеличение абсолютных показателей содержания элементов питания в пахотном слое послужило причиной к пересмотру существующей практики отбора проб.

Кроме этого, за последние годы существенно возросло негативное влияние средств химизации на окружающую среду. Эти тенденции и разработка новой техники для дифференцированного внесения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений послужили причиной совершенствования существующих методов отбора проб и разработки новых.

Анализ почв при выращивании с.-х. культур осуществляется с целью определения ее плодородия. Под плодородием почвы понимается наличие питательных элементов, необходимых для развития растений. Растения нуждается в различных элементах питания и в различном их количестве для оптимального развития.

Питательные элементы содержатся в почве в различных формах, некоторые из которых недоступны растениям.

Например, в почвах, содержащих большое количество кальция очень мало доступного для растений фосфора.

Это объясняется тем, что фосфор связывается кальцием и становится недоступным для растений.

Анализ содержания питательных элементов в почве проводят с целью определения, какой из них может стать лимитирующим фактором для развития растений.

Основными элементами, необходимыми для роста растения, являются:

азот (N) фосфор (P) калий (К) Другие элементы, которые можно рассматривать как удобрения, иногда называют вторичными элементами питания, или микроэлементами. Необходимый уровень каждого из элементов питания зависит от возделываемой культуры и места, где она выращивается.

Методы отбора проб и их анализ В прошлом товаропроизводители, оценив состояние всего поля посредством усреднения нескольких почвенных образцов, случайным образом отобранных со всего поля, вносили удобрения с одной дозой для всего поля. С появлением технологии дифференцированного внесения удобрений, позволяющей менять дозу внесения в процессе движения агрегата по полю, удобрения вносят на те участки поля, где они необходимы. Изменения в технологии внесения удобрений обусловили изменения и в методах отбора почвенных проб. Вместо нахождения средних показателей для всего поля, теперь изучают изменчивость этих показателей в пределах одного поля *3, 4, 5+.

Программа применения удобрений при выращивании с.-х. культур с учетом плодородия отдельных участков поля начинается с оценки содержания питательных элементов в почве. Рекомендации по применению удобрений основываются на ожидаемой отзывчивости растений на элементы питания, находящиеся в почве и вносимые дополнительно с удобрениями. Чем на меньшие участки будет разбито поле, тем более точной будет информация о наличии элементов питания в его почве.

Рекомендации фирмы Ag-Chem по отбору проб Фирма Ag-Chem рекомендует своим клиентам отбирать пробы по клеткам площадью 1 га или меньше. Предпочтение отдается клеткам размером 0,4 га. Это рекомендуется при отборе проб с полей, которые получают не менее 635 мм осадков в год.


При дифференцированном внесении необходимо знать, как меняется плодородие почвы от одного участка поля к другому, и это изменение должно быть представлено в виде карты *7,9+. Получение информации о поле посредством отбора проб является основой для дифференцированного внесения удобрений *6, 8,+.

Отбор почвенных проб довольно трудоемкая операция *10+. Поэтому может возникнуть соблазн уменьшить число проб для снижения затрат. Эффективность дифференцированного внесения удобрений может существенно снизиться при необоснованном уменьшении числа отбираемых проб.

Приведенные ниже рекомендации по отбору проб базируются на новых технологиях и последних научных разработках.

Традиционные методы отбора проб Обычно используют два метода отбора проб. В соответствии с первым методом отбирают несколько образцов почвы по всему полю в случайном порядке. Почвенные образцы смешивают и рассматривают как одну пробу.

По второму методу поле разбивают на несколько участков (клеток) Образцы почвы отбирают, идя по клетке зигзагом. Образцы смешивают и получают одну пробу для каждой ячейки. В результате получают количество проб, равное количеству участков.

После лабораторного анализа данные по участкам усредняют и получают одно значение для всего поля.

В результате такого отбора проб и расчета по ним дозы внесения удобрений некоторые участки поля получают больше удобрений, чем это необходимо, другие меньше. При таком методе отбора проб лишь 13-15% поля получают необходимое количество питательных элементов. Это приводит к снижению эффективности удобрений и к увеличению загрязнения окружающей среды.

Ряд исследователей *2, 3, 7, 11+ рекомендуют вносить удобрения по отдельным участкам (клеткам) и называют такой способ внесения удобрений "дифференцированное внесение". Такой подход неприемлем для полей с большой неравномерностью распределения питательных элементов в пахотном слое.

Другие исследователи *7, 8, 10+ рекомендуют отбирать пробы в соответствии с типом почвы и его изменением по полю. Однако учитывая, что минеральные и органические удобрения вносят неравномерно независимо от типа почвы, качество вспашки также не всегда зависит от типа почвы, следовательно и неравномерность распределения питательных элементов в почве не зависит практически от типа почвы.

Сеточный метод отбора проб Почвенный покров можно рассматривать как непрерывный слой, покрывающий поле.

Необходимо использовать такой способ отбора проб, чтобы получить объективную информацию обо всем слое почвы. Рассмотрим несколько подходов к отбору проб для получения объективной информации о поле.

На первом этапе поле разбивают на клетки (ячейки, блоки). Далее определяют места взятия проб в ячейке. До того как появилась возможность использовать GPS, пробы отбирали в центре ячейки. Обычно такой способ отбора называют "сеточным методом" (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Сеточный метод отбора проб В качестве ориентира при нанесении сетки и более точного определения места отбора пробы могут быть использованы растения и измерительные средства (рулетка, линейка и др.). Однако такой подход может привести к тому, что предыдущие операции, такие как внесение удобрений, дренаж, могут существенно повлиять на результат. Особенно это может проявиться в том случае, если на основе сеточного метода оценки на части поля выводы будут делаться для всего поля *11+.

Уменьшить влияние предыдущих операций на результаты почвенного анализа можно посредством смещения мест взятия проб вправо или влево от центра ячейки перпендикулярно к предыдущему проходу агрегата или рядам растений. Полученная таким образом сетка напоминает ромб (рис. 4.2).

По мере развития GPS можно определять места взятия проб без привязки к рядкам или замера расстояний. При наличии GPS и соответствующего программного обеспечения рекомендуется использовать систематический нелинейный метод взятия проб. Этот метод представляет собой комбинацию сеточного метода со случайным методом отбора проб.

Рис. 4.2. Сеточный метод отбора проб со смещением Физические ограничения и подходы к отбору проб Глубина отбора проб. В большинстве руководств по отбору почвенных проб рекомендуется отбирать пробы на глубине пахотного слоя, т.е. в диапазоне от 15 до см *11+.

При оценке характера распределения минерального азота пробы рекомендуется отбирать на глубине от 60 до 120 см.

Отбор проб для составления карт распределения параметров плодородия с целью использования их для дифференцированного внесения удобрений и других средств химизации осуществляется на различных глубинах. Глубина отбора проб зависит от таких факторов, как влажность почвы, её структура, время года, а также от целей, которые ставятся при этом исследователем (рис. 4.3).

Оптимальное время отбора проб. На результаты почвенного анализа существенно влияют промежуток времени между внесением удобрений и отбором проб, температура почвы, содержание влаги, выращиваемая ранее культура.

Рис. 4.3. Рекомендуемая глубина отбора почвенных проб Согласно *11+, не существует оптимального времени отбора проб, так как сезонные изменения содержания питательных различных элементов меняются по-разному.

Однако при проведении многолетних опытов на одном поле пробы рекомендуется отбирать в одно и тоже время.

Рядом исследователей *2, 11+ отмечается повышенная концентрация питательных элементов, органического вещества и Н ионов (уменьшение рН) в слое почвы 0-5 см.

Распределение фосфора (Р) по глубине при обработке почвы чизелем с диском больше соответствует его распределению в случае без обработки, чем в случае обработки почвы плугом (табл. 4.1) Таблица 4.1. Содержание фосфора в пробах в зависимости глубины отбора проб и способа почвобработки, мг/кг пробы, см Отбор проб с учетом типа почв. Для демонстрации того, как меняется почвенный состав в пределах одного поля, разрабатываются геоморфические модели *11+.

Почвенные карты существенно зависят от физических свойств почвы, таких как структура, содержание органического вещества. Эти свойства находятся в большой корреляции с материнской породой и топографией конкретного поля. В значительно меньшей степени с материнской породой почвы коррелируют такие важные для роста растений показатели, как содержание в пахотном слое Р, К и рН. Это обусловлено тем, что вспашка, севообороты, внесение минеральных и органических удобрений осуществляются независимо от материнской породы. Исключением является кислотность почвы рН, так как она существенно зависит от наличия извести в почве.

28. ТИПИЧНАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЫ

Неравномерность распределения параметров плодородия может меняться в широких пределах *11+. Согласно *2, 3, 11+, поля можно подразделять по коэффициенту вариации этих параметров на поля с низкой неоднородностью плодородия, средней и высокой. Поля с высоким коэффициентом вариации требуют отбора большего количества проб для адекватной их оценки. В таблице 4.2. представлены изменения урожайности и основных параметров плодородия поля.

Таблица 4.2. Изменения урожайности и основных параметров плодородия поля и составляет порядка 10%. Урожайность меняется в более широких пределах (8-29%).

Однако при этом разброс урожайности кукурузы на одном поле составляет 0,63-8, т/га *11+. Поэтому для оценки параметров с большим разбросом значений коэффициент вариации не всегда приемлем. Особенно это относится к доступному фосфору на полях, где вносили органические удобрения с большой неравномерностью.

Коэффициент вариации изменяется от 40 до 80%.

Многие показатели меняются в течение времени. Это в большей мере относится к NO3-N, к влажности, урожайности зерновых. Такие параметры, как содержание органического вещества, структура почвы меняются во времени незначительно.

Для составления карт, с достаточной степенью точности характеризующих распределение питательных элементов в почве, необходимо отбирать большее количество проб. Метод отбора проб и плотность взятия образцов влияет на точность интерполяции. В свою очередь от точности интерполяции зависит количество и форма контуров на карте. Хотя с увеличением количества проб повышается точность карты, в то же время увеличиваются затраты на отбор проб и их анализ.

Затраты на отбор почвенных проб и их анализ, дифференцированное внесение удобрений напрямую связаны с уровнем дифференциации внесения фосфорных и калийных удобрений. Чтобы оценить эффективность дифференцированного внесения удобрений, эти затраты должны быть вычтены из прибыли, получаемой от этого способа внесения. Сеточный метод взятия проб более дорогой по сравнению с традиционным методом. Проведенные в университете штата Висконсин исследования сеточного метода взятия почвенных образцов показали, что точность получаемой карты зависит от способа взятия проб и от их количества.

Труд работающих на отборе проб людей был оценен в $25.00 за час работы и $6.00 за анализ одной пробы. Цель исследований заключалась в разработке методики оценки затрат и определении границ прибыльности. Необходимо помнить, что расходы, связанные с внесением удобрений, ежегодны и включают дополнительные затраты, обусловленные дифференцированным внесением по сравнению с внесением удобрений с одной дозой.

Затраты, связанные с дифференцированным внесением Р и К резко увеличиваются при уменьшении размера ячеек (табл. 4.3).

Таблица 4.3. Затраты на взятие проб и дифференцированное внесение удобрений * Отбор проб Обработка данных и нанесение на карту Внесение удобрений (затраты, связанные с дополнительным изменением дозы) *Площадь поля 100 акров.

Дорогостоящий сеточный метод взятия проб необходимо осуществлять только один раз, если предполагается получить всю остальную информацию о состоянии поля с помощью GPS. В дальнейшем понадобится проводить дополнительный анализ в случае большой пестроты плодородия и невозможности ограничиться только функциями отзывчивости для оценки почв.

В работе не рассмотрены затраты, связанные с возможными нарушениями дозы при внесении удобрений, обусловленными ошибками при составлении карты пестроты плодородия. Есть свидетельства, когда из-за ошибок при картографировании участки с дефицитом питательных элементов были признаны хорошими. По этой причине были потери урожайности и прибыли, соответственно. При расчетах эффективности дифференцированного внесения удобрений необходимо также учитывать точность получаемых для этой цели карт.

29. ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ

ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

Получение информации об урожайности с.-х. культур и в результате отбора и анализа почвенных проб требует соответствующих приборов и оборудования *1, 2, 3+. В связи с этим возникает большая потребность в разработке датчиков и технических средств для автоматизированного отбора и анализа данных о состоянии почвы, растений, наличии вредителей и болезней, сорняков и т.д.

Использование датчиков позволяет получать данные с гораздо большей разрешающей способностью, чем это возможно при использовании традиционных методов *6, 8+. Получаемые с помощью датчиков данные более точно характеризуют внутрипольную пестроту параметров плодородия.

Важными почвенными показателями, о которых необходимо получать информацию, являются: содержание органического вещества (важный показатель для определения норм гербицидов, удобрений), содержание элементов питания (для определения доз удобрений), рН (для известкования и применения гербицидов), влажность (для определения глубины посева), толщина пахотного слоя (для глубины и густоты посевов, внесения удобрений).

Данные о состоянии посевов, такие как наличие и распределение сорняков (для применения гербицидов), состояние посевов (для внесения удобрений в период вегетации), густота посевов, также могут быть получены при помощи соответствующих датчиков.

Разработка датчиков для получения информации о приведенных выше показателях существенно отстает от других технологий, используемых в точном земледелии, таких как GPS, GIS и дифференцированное внесение удобрений и пестицидов.

В 1995 году ASAE признало, что разработка датчиков и приборов для точного земледелия является одним из приоритетных направлений исследований. Две самые приоритетные темы из шести - это датчики для измерения свойств (параметров) почвы и непрерывного измерения урожайности.

НИОКР по разработке датчиков, необходимых для точного земледелия, ведутся во многих университетах, правительственных учреждениях и фирмах США и других стран.

Ведутся исследования по разработке вспомогательных датчиков, таких, например, как датчики скорости движения агрегатов, датчики измерения давления в гидросистемах.

30. ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЧВЫ

Измерение параметров почвы, которые влияют на рост и развитие растения, является неотъемлемой составляющей точного земледелия. Эффективность точного земледелия будет во многом зависеть от того, как быстро и точно будут измерены эти показатели. Частота измерений (пространственная и временная) будет зависеть от того какова изменчивость измеряемого показателя (изменчивость этого параметра по полю и во времени).

Такие показатели, как содержание нитратов, влажность почвы, могут меняться быстро как по полю, так и во времени и должны измеряться в реальном масштабе времени *2, 4, 5+.

Другие параметры, такие как содержание органического вещества, глубина пахотного слоя, будут несущественно меняться во времени, и их можно замерять один раз в год или реже. Что касается количества замеров, то оно зависит от вариабельности измеряемого параметра. Для определения вариабельности того или иного показателя нужно проводить замеры с малым шагом квантования, что очень дорогостояще.

Поэтому нужны автоматизированные системы отбора и анализа проб.

Имеется два источника ошибок при измерении параметров почвы - ошибка анализа и ошибка, обусловленная изменчивостью показателей от точки к точке. При традиционных методах отбора и анализе проб ошибка анализа незначительна, а ошибка, связанная с отбором проб, существенна, так как отбирается мало проб вследствие дороговизны. При оценке параметров плодородия с помощью датчиков в реальном масштабе времени картина меняется на противоположную.

Существует острая необходимость в разработке систем для оценки распределения элементов питания в почве и повышения точности карт распределения NPK. В настоящее время основное внимание сосредоточено на разработке датчиков для оценки содержания азота и его форм в почве в связи с большой отзывчивостью растений на азот и существенным влиянием его на загрязнение окружающей среды и значительной временной и пространственной изменчивостью.

Большой объем работы, включающий отбор презентативного образца, его сушку, размол и проведение лабораторных анализов, требует разработки и оснащения агрохимических лабораторий специализированным лабораторно-полевым оборудованием, быстродействующими аналитическими системами, а также создания новых методов и технологий массовых анализов.

Одним из направлений снижения затрат на взятие почвенных проб является разработка мобильного пробоотборника.

Выполненный анализ зарубежных источников показал, что независимо от фирмы производителя пробоотборники обладают рядом специфических особенностей.

Пробоотборник CEE 98SS отличается высокой маневренностью благодаря передней навеске (рис. 5.1). Наличие рамы обеспечивает устойчивую работу пробоотборника CEE. Такая конструкция пробоотборника позволят отбирать пробы в местах, где работа навесных пробоотборников невозможна.

Пробоотборник Dura-Drill предназначен для отбора проб из твердой или промерзлой почвы. Это позволяет отбирать пробы в течение круглого года. Рабочим органом пробоотборника является шнек. Диаметр шнека 3 см, он оснащен карбидовым наконечником, что позволяет бурить мерзлую почву. Длина шнека 25, 90, 120 см.

Пробоотборник навешивается на мобильное средство, управляется с помощью пульта управления. Привод пробоотборника осуществляется с помощью гидронасоса. После выглубления шнека почва выгружается в контейнер. Частота вращения шнека и заглубления выбираются в зависимости от физических свойств почвы.

Модель Dura-Drill Глубина отбора проб, см Время отбора проб, с Пробоотборник SoilRover оснащен:

гидравлическим буром фирмы "Конкорд";

измерителем плотности почвы;

системой позиционирования DGРS фирмы Trimbler;

системой хранения и обработки данных (RDS+GIS);

системой ближнего сканирования (VIS/NIR);

цифровой фотосъемкой;

системой измерения электропроводности почвы EN38.

Пробоотборник навешивается на автомобиль Landrover Defender 110. С помощью бура можно отбирать почвенные образцы на глубину 0-1 м.

Немецкая фирма Nietfeld модернизировала бур, и он стал в состоянии отбирать пробы на глубине до 3 м.

Пробоотборник фирмы MCL3 GEONOR.

Пробоотборник предназначен для быстрого отбора почвенных проб на глубине 90см с целью определения содержания питательных элементов в почве независимо от ее типа (рис. 5.2).

Пробоотборник типа MCL3 имеет свою гидравлическую систему и может быть навешен на любое энергетическое средство с высокой проходимостью.

Технические характеристики пробоотборника Гидравлическое Lifton LH 12, 2400 ударов в ударное устройство гидравлического бака Модель пробоотборника MCL3Т значительно легче и более экономична, не имеет своей гидравлической системы и поэтому должна навешиваться на трактор или другое легкое энергетическое средство, имеющие свою гидравлическую систему.

Пробоотборник универсален для навешивания на автомобили, тракторы и другие легкие мобильные энергетические средства;

Глубина отбора проб 0-1 м; возможна глубина отбора до 0-120 см;

Пробы отбираются из твердой и замерзшей почвы;

Гидравлическое ударное устройство совершает 1700 ударов в минуту;

Работа пробоотборника контролируется с помощь дистанционного пульта управления;

Почвенный образец высвобождается быстро и точно;

Глубина отбора проб контролируется автоматически;

Агрегатируется с мобильным энергетическим средством типа Honda мощностью 9 л.с.;

Имеет емкость из нержавеющей стали, которая может вместить до 20 образцов 1 год гарантии на все узлы пробоотборника;

Масса 317.5 кг.

Мониторинг урожайности с.-х. культур в момент их уборки является одним из основных источников информации об эффективности всех ранее принятых мероприятий по воздействию на почву и растение. Широкомасштабные исследования ведутся по совершенствованию технических средств для измерения урожайности, а также методов обработки полученной информации с целью повышения точности измерений и достоверности выводов. Эта проблема довольно сложная, так как определение урожайности осуществляется посредством измерения массы зерна, поступающей в бункер комбайна (в случае уборки зерновых культур). Время от момента скашивания до поступления зерна в бункер, по данным *5+, составляет 15 с. При средней скорости комбайна 5,15 км/ч он проходит расстояние 20,1 м. Это запаздывание поступления зерна в бункер должно учитываться при определении координат участка, с которого было убрано зерно.

В настоящее время фирмы John Deere, Fieldstar и другие выпускают и поставляют на рынок мониторы урожайности для зерновых культур. Хуже обстоит дело с мониторами урожайности корнеклубнеплодов, помидор, земляных орехов и др.

Основная причина, сдерживающая их производство - отсутствие надежных датчиков для измерения урожайности. Затруднения с разработкой систем мониторинга для перечисленных культур обусловлены тем, что размеры и форма плодов меняются в широких пределах. Наличие вибрации, запыленности и загрязненности урожая также влияет на точность измерений.

31. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО

ВНЕСЕНИЯ УДОБРЕНИЙ И ХИМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ

Основными технологическими операциями при дифференцированном внесении удобрений являются:

определение границ поля;

разбивка поля на элементарные участки и отбор почвенных проб для оценки пестроты параметров плодородия поля в принятой системе позиционирования;

анализ проб в лабораторных условиях;

разработка электронной карты дифференцированного внесения минеральных удобрений под программируемый урожай в принятой системе позиционирования;

дифференцированное внесение минеральных удобрений.

Во многих странах (США, Канада, Англия, Австралия, Финляндия, германия) развернуты исследования по разработке технологий и технических средств для дифференцированного применения удобрений и химических средств защиты растений *3, 5, 8, 11, 13, 14, 15, 20, 21, 24, 25+. Наметились две концепции реализации технологий дифференцированного внесения удобрений.

. Концепция, основанная на предварительном анализе состояния почвы и посевов в системе глобального позиционирования (GPS).

Полученные данные интерпретируются с использованием Геоинформационной системы. Затем по определенной программе с учетом принятых ограничений и допущений разрабатывается план оптимального применения удобрений с целью получения заданной урожайности возделываемой культуры.

На основе обработки исходной информации разрабатывается электронная карта выполнения технологического процесса на соответствующем поле в принятой системе позиционирования (рис. 6.1).

В процессе движения машины-удобрителя по полю с помощью бортового компьютера в строгом соответствии с электронной картой контроллер обеспечивает внесение необходимых доз соответствующего вида удобрений на каждый элементарный участок поля с учетом фактической скорости агрегата и быстродействия исполнительных механизмов.

Концепция, основанная на получении информации о поле с помощью датчиков в реальном масштабе времени без использования электронной карты.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |







 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.