Как IT помогает развивать сельское хозяйство

Точечное земледелие — кто этим занимается и как это работает

Еще в 1920-х специалисты брали образцы почв из разных участков поля, чтобы рассчитать среднее необходимое количество удобрений. О внесении удобрений на отдельные участки поля заговорили в 1960-е, но необходимые технологии для этого тогда отсутствовали. 

Настоящие шаги в сторону точечного земледелия начались в 1980-е годы. В 1985 американская компания Soil Teq разработала ПО для сельскохозяйственной техники, которое рассчитывало необходимое количество удобрений на сегменте поля. Другие эксперты предложили использовать воздушные снимки поля в инфракрасном спектре, чтобы находить проблемные участки. Стали использовать и другие технологии — GPS, спутниковые снимки, беспилотники и другие.

«Сегодня мы понимаем, что поле неоднородно, что его разные участки могут вести себя по-разному. Возможность находить эти участки и работать с ними точечно экономит средства и позволяет фермеру трудиться продуктивнее»

Ctrl2GO помогает разрабатывать и внедрять решения для анализа данных в разные области промышленности. Помимо них, на российском рынке в области точного земледелия представлены еще несколько компаний: Magrotech, Агроноут, ИнтТерра, Агроинтеллект, Геомир, ExactFarming, OneSoil и другие. Их зарубежные конкуренты в этой сфере — Arable, CropX, Cropin, Ceres Imaging и многие другие. 

Для того, чтобы правильно сегментировать поле, задействуют разные технологии. Так, Ctrl2GO в основном прибегает к использованию изображений, полученных со спутников, в том числе российских: они часто обновляются, и это позволяет регулярно следить за состоянием почв и посевов. Однако есть и другие способы. Многие хозяйства применяют БПЛА, оснащённые гиперспектральными камерами. Такие устройства собирают и обрабатывают информацию из разных участков электромагнитного спектра, они полезны в поисках сбежавшего скота или оперативном выявлении заболевших растений. Другой вариант — находящиеся непосредственно в почве датчики/зонды, собирающие информацию о состоянии почвы: количестве влаги, аэрации и т.п. 

Собранные данные загружаются на облачный сервер — здесь их обрабатывают нейросети. После этого информация поступает к фермеру или агроному, который применяет ее в работе: рассчитывает, где именно лучше вносить удобрения, как организовать полив и где именно удалять сорняки. 

Так, например, устроена система, которую Ctrl2GO разработала для борьбы с борщевиком Сосновского. Этот сорняк может вызывать сильные ожоги из-за попадания на кожу едкого сока, вызывающего гиперчувствительность к солнечному свету, а также наносит серьезный вред другим растениям. В прошлом сезоне система применялась в нескольких районах Московской области. Сначала специалисты Ctrl2GO получили снимки со спутника и на их основе обучили нейросеть, которая обнаружила места скопления сорняка. По этим точкам составляется маршрут для беспилотника самолетного типа: он пролетает на меньшей высоте и снимает местность, после чего другая нейросеть изучает изображения и определяет плотность прорастания и возраст борщевика. После этого обрабатывать гербицидами заражённые участки можно как традиционными способами, так и с помощью дронов-кранов, рассчитав при этом точное количество, необходимое для уничтожения сорняка. Это, с одной стороны, экономит расход вещества, а с другой, — уменьшает количество вредных соединений в почве. Кроме того, при обработке может быть использован специально разработанный гербицид, который действует только на двудольные растения, то есть сам борщевик, не уничтожая другую флору.

Использовать технологии точного земледелия и можно и для более сложных кейсов.

Так, в Индии Ctrl2GO реализует проект по агросрахованию совместно с индийским партнером. Большая часть населения Индии или работает в сельском хозяйстве, или их доход зависит от этой сферы. Среди аграриев немалое количество фермеров, работающих на обеспечение своей семьи. Несколько лет назад после засушливых сезонов правительство страны решило пересмотреть систему страхования фермеров, запустив проект Pradhan Mantri Fasal Bima Yojana (PMFBY) — так называемую «схему премьер-министра Моди». Поскольку государство не только закупает у фермеров продукцию, но и выплачивает страховку за ущерб, возникла потребность точной оценки потерянного урожая во избежание махинаций как со стороны аграриев, так и страховщиков.

Здесь и оказалась востребованной  система Ctrl2GO, которая работает так: сначала со спутника получают изображение поля в разные периоды времени. После этого начинает работать специальная аналитическая модель, оценивающая потенциальный урожай, который мог бы принести тот или иной участок. Таких моделей существует множество, одна из них — разработанная в Германии MONICA, позволяющая прогнозировать урожай пшеницы. В Ctrl2GO используют «модель моделей» — разработку российского математика, которая объединяет несколько различных систем. Она позволяет оценивать потенциальный урожай с точностью более 90%. В итоге страховым компаниям удалось существенно сократить выплаты недобросовестным фермерам, то есть снизить государственные выплаты.

«В конкурсе на этот проект мы обошли IBM». Сегодня Ctrl2GO сотрудничает с Индией и создала совместное предприятие с индийской страховой компанией Trinity. На данный момент осуществляется мониторинг более 10 млн. полей в 7 штатах. В России Ctrl2GO начала совместный проект по страхованию с одним из крупнейших банков, и сейчас мониторит более 2 млн.га земли сельхозназначения.

А недостатки?

• Чтобы внедрить комплексную систему точного земледелия, надо вложить серьезные деньги. Подобные расходы может позволить себе не каждое хозяйство даже из тех, которые работают с немалой прибылью.
• Точное земледелие, по сути, представляет собой набор довольно сложных компьютерных технологий. В сельской местности могут возникнуть проблемы с подбором специалистов не только для внедрения, а даже для обслуживания девайсов.
• Система точного земледелия — новая, практический опыт небольшой. Мало того, имеющиеся технологии еще и постоянно совершенствуются, что дополнительно уменьшает опыт их применения. В результате правильно оценить эффективность ее внедрения и использования довольно сложно.

Нетрудно заметить, что перечисленные недостатки являются, скорее, не столько базовыми минусами, сколько проблемами роста. Они не становятся непреодолимым препятствием для тех, кто понимает, что за точным земледелием будущее. И кто раньше его освоит, тот получит преимущества в борьбе за рынок сбыта.

Зачем это нужно

А есть ли вообще необходимость во внедрении точного земледелия? На полях сейчас работают высокопроизводительные машины, селекционеры выводят новые сорта, в агрофирмах осваиваются передовые технологии. Разве этого недостаточно? К сожалению, нет.

Принципы работы сельского хозяйства аналогичны законам любого другого бизнеса. Эффективность достигается за счет повышения производительности труда и снижения себестоимости продукции. На рубеже XX-XXI вв. поставленные цели достигаются при помощи таких классических инструментов:

• Повышение производительности и экономичности сельскохозяйственной техники.
• Селекция более продуктивных сортов агрономических культур.
• Применение высокоэффективных удобрений и средств защиты растений.
• Внедрение рациональных технологических приемов и новых технологий обработки почвы.

Актуальность перечисленных инструментов не оспаривается. Речь не идет о том, чтобы от них отказаться. Вопрос в другом. Все они, за исключением, пожалуй, только новых технологий (ноу-тилл, мини-тилл, стрип-тилл), при современном уровне развития науки работают «на пределе». Цены на технику, семена, удобрения и СЗР постоянно растут.

Чтобы решить проблему интенсификации агропроизводства, указанный список можно дополнить новыми инструментами, прежде недоступными. Это компьютерные и спутниковые системы. Вот их-то и предлагается использовать для серьезного улучшения результатов труда.

Что включает в себя точное земледелие

В точном земледелии активно используются системы автоматизированного управления процессами и точного курсоуказания. В автопарке фермерских хозяйств повсеместно появляются тракторы, комбайны, сеялки, опрыскиватели и другая техника с GPS навигацией. Применение таких агрегатов позволяет эффективно выполнять работы в любых условиях. Курсоуказание помогает предотвратить пропуски и перекрытия на поле, обеспечить равномерность посева и опрыскивания, тем самым повышая эффективность и уменьшая расход топлива.

Сегодня в передовых хозяйствах применяют вспомогательные и автоматизированные системы рулевого управления. Последние обеспечивают курсоустойчивость даже на участках со сложным рельефом, пересеченной местности. У водителя появляется возможность контролировать работу оборудования (сеялки, опрыскивателя и пр.) во время движения.

Точное земледелие дает возможность осуществить более качественную предпосевную подготовку полей даже в неблагоприятных условиях. Применение инновационных инструментов и технологий позволяет осуществить оценочный отбор проб почвы, что актуально для полей со значительной изменчивостью параметров. Кроме того, у фермеров есть возможность получить полную картину состояния почв (уплотнения, гранулометрический состав, наличие влаги и способность к ее удерживанию и пр.).

В точном земледелии также используют оборудование для мониторинга урожайности, работа которого была бы невозможна без применения технологии GPS. Использование мониторов урожайности позволяет собрать всю необходимую информацию для формирования карты урожайности, на которой будут четко видны самые прибыльные участки. С учетом полученных результатов можно выбрать удобрения и химикаты для создания высокоурожайной среды. Дифференцированное внесение семян позволяет обеспечить рациональный расход посевного материала. Оборудование «запоминает» данные о внесении, которыми в дальнейшем можно руководствоваться при принятии решений.

Инструменты для управления водными ресурсами также имеют важное значение в системе точного земледелия. Специальные технологии помогают быстрее и эффективнее, чем при визуальном осмотре, выявить участки с эрозией, запруживанием, определить влияние крутых уклонов, впадин, подъемов на урожайность участка, получить информацию для организации дренажной системы.

Точное земледелие включает в себя все вышеперечисленное, но главной целью является объединение полученных данных и формирование общей картины, которая будет полезна при проведении анализа и принятии решений. Для корректной работы системы важно выбрать совместимое программное обеспечение, правильно организовать хранение данных и обеспечить постоянный доступ к высокоскоростному интернету.

Технологии точного земледелия

К самым востребованным технологиям точного земледелия относят параллельное вождение и развернутое картографирование местности с использованием современных электронных вычислительных машин, спутниковых систем. Роботизация процессов также заслуживает внимания аграриев. Производители сельхозтехники ежегодно презентуют агрегаты, которые могут работать самостоятельно, без вмешательства операторов. Инновационные технологичные решения внедряются на всех этапах растениеводства.

GPS-мониторинг дает возможность в режиме реального времени отслеживать где находится сельхозтехника, что позволяет выявлять нецелевые поездки, случаи нерационального расхода топлива. Спутниковая навигация позволяет организовать параллельное вождение, тем самым повысить эффективность и ускорить проведение агротехнических операций.

Автоматический круглосуточный контроль увлажненности почв с использованием специальных датчиков дает возможность своевременно выявить проблемные участки и отправить поливочную технику туда, где это сейчас необходимо, а не бездумно заливать поля по графику. Еще одна цель установки беспроводных датчиков заключается в контроле состояния посевов. На основе полученных данных принимаются решения о внесении удобрений, средств защиты.

Облачная технология SMART позволяет ставить «умные» цели и вносить в общее хранилище информацию, поступающую от всех объектов хозяйства (зданий, техники, оборудования). Контроль над работой элементов системы осуществляется из единого центра.

В сельском хозяйстве активно используются компьютерные и мобильные гаджеты. Дополнительно к стационарным ПК хозяйства закупают ноутбуки, планшеты, которые позволяют получить всю информацию о состоянии поля на месте, уже во время выезда провести первичный анализ. Специальные приложения помогают контролировать работу системы точного земледелия даже со смартфона. Для дистанционного зондирования сегодня все чаще используют дроны, которые работают самостоятельно или дают дополнительную информацию к спутниковым снимкам.

Что лежит в основе такой системы

Точное земледелие основывается на применении максимально детализированных по участкам и характеристикам карт полей. Имеющиеся кадастровые карты дают мало полезной информации, определяя в основном границы поля на местности. А ведь нужны еще сведения об уровне влажности почвы (в том числе УГВ), химическом составе, преобладающих ветрах, угле наклона поверхности, количестве солнечного излучения, наличии естественных и искусственных объектов и расстояния до них (водоемы, леса, дороги, предприятия и прочее). Чем подробнее получается карта, чем больше факторов в ней учтено, тем точнее будут работать компьютерные и спутниковые технологии. И тем быстрее и эффективнее можно вносить изменения в производственный процесс.

Есть разные методики составления подобных карт. Со спутников получается необходимая информация, на местности берутся пробы грунта, по каждому участку выполняется общий анализ. Карты составляются на компьютере и совмещаются с прочим оборудованием.

Затем на основе имеющихся электронных карт прописываются точные рекомендации. В них по каждому участку указывается, сколько надо внести семян, воды, удобрений. Эти инструкции загружаются в бортовой компьютер выезжающей в поле сельхозмашины.

Во время работы агрегата участие в процессе человека (механизатора) сводится к минимуму. В основном он контролирует, правильно ли машина выполняет инструкции. Техника, ведомая спутниковой навигацией, движется по полю, вносит в грунт семена и удобрения, регулируя их количество на каждом участке согласно полученным рекомендациям. Благодаря GPS курс прокладывается так, чтобы исключить накладки или просветы между обработанными полосами. Это называется системой параллельного вождения.

Этапы точного земледелия

Точное земледелие включает множество элементов, каждый из которых, в свою очередь, является частью одного из основных этапов:

1. Сбор информации. Перед тем как делать выводы о прибыльности участка и предпринимать меры для повышения этого показателя важно собрать максимум информации о климатических особенностях региона, состоянии поля, выращиваемых культурах.
2. Анализ информации. Проанализировать полученную на первом этапе информацию и на основе этого принять правильные решения помогает специальное программное обеспечение, с помощью которого создаются и ведутся картотеки сельскохозяйственных угодий. Для эффективной работы системы важно постоянно контролировать и обновлять пространственно-атрибутивные данные. Точный анализ позволяет эффективно генерировать, оптимизировать и реализовать агротехнические решения.
3. Выполнение решений. На этом этапе дифференцированно проводятся агротехнические операции (посев культур, внесение жидких и твердых удобрений, средств защиты от болезней, вредителей) с использованием автоматически управляемой сельхозтехники, GPS-приёмников, техники, обеспечивающей дистанционное зондирование местности.

В чем достоинства точного земледелия

• Значительное уменьшение расхода семян и материалов: удобрений, топлива, воды и прочих. Как следствие — снижение себестоимости продукции.
• Увеличение урожайности и повышение прибыли.
• Продукция получается более качественной.
• Свойства почвы улучшаются.
•  Снижается отрицательное воздействие производства на природную среду.
• Сельскохозяйственный менеджмент получает и накапливает много полезной информации.

Какие технологии применяются в системе точного земледелия

Описанные выше подробное картографирование и параллельное вождение — это тоже технологии, притом самые распространенные. О прочих можно сказать, что к точному земледелию относятся фактически все технологии, которые основаны на использовании спутниковых и компьютерных систем и применяются для оптимизации расхода ресурсов.

Наиболее популярны следующие:

GPS-мониторинг. При помощи спутниковой навигации можно не только организовать параллельное вождение. Она хорошо подходит для того, чтобы в любой момент определить местоположение сельскохозяйственной машины. Достаточно смонтировать GPS-маяки на весь служебный и технологический транспорт. После этого можно легко контролировать, не расходуют ли водители и трактористы топливо предприятия для поездок по личным делам.

Орошение. Нередко агрофирмы сталкиваются с тем, что в нужное время поливной воды не хватает в достаточном количестве. Благодаря современным технологиям влажность почвы контролируется 24 часа в сутки. Автоматизированная техника дает возможность поливать только критичные участки. В результате вносится столько воды, сколько необходимо. Это более эффективно, чем заливать все поле по графику.

Датчики. Если на полях разместить беспроводные датчики, то контроль важнейших характеристик, таких как влажность почвы, состояние посевов и другие, можно выполнять удаленно в реальном времени. В результате специалисту не нужно каждый день ездить по полям, расходуя топливо и рабочее время. Кроме того, реакция на любые изменения становится более оперативной.

Мобильные гаджеты. В сельском хозяйстве надо широко применять планшеты, смартфоны и прочие девайсы. После инсталляции специальных приложений с их помощью можно, выезжая в поле, сразу отследить состояние грунта и растений, после чего на месте провести первичный анализ.

Технология SMART («облака»). Правильная постановка «умной» цели позволяет объединить в общую информационную систему все основные объекты, такие как здания, оборудование, техника. После этого их работу и состояние можно не только контролировать из единого центра — таким образом ими можно даже частично управлять.

Роботизация. Чем дальше развиваются технологии, тем больше появляется машин, способных работать самостоятельно, без постоянного контроля со стороны оператора. Подобные системы уже разработаны практически для всех основных этапов растениеводства: посева, уборки, полива, внесения удобрений.

Насколько система параллельного вождения точна. В чем ее эффективность.

Параллельное вождение — это движение сельскохозяйственной машины по GPS-сигналу. Если используется бесплатный канал, то точность курса будет равна 30 см. Если платный — то 2,5 см. В последнем случае площадь участков, обработанных дважды (накладки) или совсем не обработанных (просветы), значительно уменьшается. Кроме того, сокращается ширина полосы разворота и длина холостого хода. В результате расход топлива, удобрений и семян снижается до 20%

Важен еще один фактор. Во время опрыскивания при «обычном» вождении механизатор, стараясь работать без огрехов, нередко проходит по соседним полосам с перекрытием, как показывает практика, шириной от 0,5 м до 1,5 м. По разным оценкам, «нахлест» составляет от 5 до 15% площади поля. Это значительно повышает фитологическую токсичность внесенных химикатов и снижает качество продукции. Использование GPS-навигации сводит двойную обработку к минимуму, фактически устраняя данный недостаток.

Возможность выполнять механизированные работы (пахота, культивация, внесение удобрений, посев, уборка) с минимумом «лишних» движений — это не единственное преимущество данной системы. Она позволяет работать ночью так же точно и эффективно, как днем. Это очень важно в годы с неблагоприятными погодными условиями, когда для выезда в поле выпадает несколько подходящих дней и в буквальном смысле слова нельзя терять ни единого часа.

Система параллельного вождения является наиболее популярным элементом точного земледелия по двум причинам. Во-первых, она не требует больших капиталовложений. Окупается за один-два года. Во-вторых, она достаточно простая в технологическом отношении.

Хорошо, так а суть в чем

Если говорить кратко, точное земледелие — это управление урожайностью на каждом отдельном участке посевной площади. Ведь условия для развития растений в разных местах одного и того же поля подобные, но не одинаковые. С помощью спутниковой съемки и других современных технологий по каждому участку можно определить реальные потребности всходов в удобрениях, поливе и прочем. После чего — удовлетворить эти потребности, управляя агрегатом с компьютерной точностью. В результате эффект получится максимальным, а расход веществ — оптимальным.

Точное земледелие не следует путать с инновационными приемами обработки почвы. Это не просто очередная технология, предусматривающая какой-то определенный перечень технического оборудования и методических рекомендаций. Это общая концепция. Она заключается в использовании разных технологий: GPS, подробного картографирования, параллельного вождения и других. Их можно применять все сразу либо лишь некоторые, на усмотрение руководства. Главное — выполнение поставленных задач и достижение запланированного эффекта.