Развитие точного земледелия началось в 1990-х годах с появлением глобальной системы позиционирования (GPS) и географических информационных систем (GIS). За это время был также разработан широкий спектр датчиков, мониторов и контроллеров для оборудования, таких как датчики вращения вала, датчики давления и серводвигатели.
Благодаря быстрому развитию и внедрению мобильных вычислительных средств, высокоскоростного Интернета и надежных спутников использование технологий точного земледелия за последнее десятилетие выросло настолько, что теперь они затрагивают практически все области деятельности сельскохозяйственных предприятий.
Эксперты полагают, что к настоящему времени ресурс традиционных методов и решений, применяемых в сельском хозяйстве, исчерпан и уже не справляется с современными требованиями к эффективному возделыванию культур.
К 2050 году, чтобы прокормить растущее население планеты, понадобится производить минимум на 70% больше продовольствия. Сделать это экстенсивным путем невозможно: свободные земли, пастбища, водные ресурсы в дефиците. К тому же увеличивается нагрузка на экологию.
Перспективными направлениями решения возникающих задач являются программы «точного земледелия», «умного фермерства», которые действуют в десятках стран.
Внедрение технологий «искусственного интеллекта» в АПК сегодня растет на 22,5% в год. Согласно данным Markets and Markets, в 2025 году объем этого рынка составит 2,6 млрд долларов.
Основным принципом точного земледелия (ТЗ) является оптимизация технологий выращивания и управления производством для каждого конкретного участка поля. Таким образом, ТЗ позволяет не только получить существенную экономию средств, повысить производительность и урожайность, но и эффективно охранять окружающую среду.
Впечатляющие цифры демонстрирует анализ рынка ТЗ, проведенный компанией J’son & Partners Consulting. Если в 2010 году существовало не больше 20 компаний, поставлявших новые технологичные решения для автоматизации управления сельским хозяйством, то в настоящий момент их порядка 2 000.
Образовался отдельный сегмент «Агротех» (AgTech), который несколько лет подряд обгоняет по темпам роста инвестиций FinTech. На долю США, где уровень проникновения новых технологий в сельское хозяйство самый большой (40-50% хозяйств), приходится более 40% мирового рынка. При этом постоянно повышается уровень изучения практиками возможностей ТЗ.
На основе интеграции технологий ТЗ и инноваций достигается оптимизация сельскохозяйственных производственных процессов: обработка почвы, посев, внесение удобрений, защита растений и др. с учетом дифференцированных почвенно-климатических условий, мелкомасштабной неоднородности и вариации различных параметров в пределах отдельного поля.
Развивая ТЗ и его элементы, можно реализовать на более высоком уровне концепцию адаптивно-ландшафтного земледелия и планирования урожайности. Для того чтобы лучше понять, что такое ТЗ, рассмотрим реализуемую при этом систему управления производством.
Главные компоненты такой системы — земля, технологии возделывания культур или выращивания животных на ней, машины и службы поддержки. Все они должны быть взаимосвязаны, и вся эта система может контролироваться и управляться с помощью телефона.
Современное сельское хозяйство США стоит перед тремя глобальными вызовами:
- Реальные урожаи сельскохозяйственных культур далеки от биологического потенциала: рекордный урожай силосной кукурузы (2011 год) составил 269 ц/га, а средний урожай фермеров — 113 ц/га.
- Использование сельскохозяйственной техники в большинстве случаев недостаточно эффективно: в странах Европы наработка на трактор достигает 2000 часов, а в США — 1000 часов.
- Растет объем знаний, требуемых для повышения эффективности земледелия.
Согласно отчету Министерства сельского хозяйства США, за 2016 год при выращивании кукурузы и сои более 50% сельскохозяйственных предприятий США использовали картографические системы на базе GPS, включая мониторы урожайности.
Системы автоматизированного управления и навигации применяли примерно 33% фермерских хозяйств, а технологии дифференциального внесения агрохимикатов использовали 16-26% фермеров.
Национальный исследовательский комитет США (US National Research Council, 2004) определяет точное земледелие как стратегию управления, которая использует информационные технологии, извлекая данные из множественных источников с тем, чтобы принимать оптимальные решения по производству сельскохозяйственной продукции.
К элементам точного земледелия, которые в настоящее время находят практическое применение в США, можно отнести:
- определение границ поля с использованием GPS;
- дистанционное зондирование (аэро- или спутниковые фотосъемки);
- системы параллельного вождения агрегатов;
- локальный отбор проб в системе координат;
- составление карт электропроводности почв;
- составление карт урожайности;
- дифференцированное внесение удобрений, извести, средств защиты растений;
- дифференцированная механическая обработка почвы;
- дифференцированный посев;
- дифференцированное внесение азота и регуляторов роста;
- мониторинг фитосанитарного состояния посевов (сорняки, болезни, вредители);
- мониторинг урожайности с использованием GPS;
- мониторинг качества урожая.
Привлекательность ТЗ, как и других технологических инноваций, на практике определяется экономической эффективностью на уровне сельскохозяйственного предприятия. При анализе экономической эффективности применения элементов ТЗ сопоставляют затраты на покупку техники и другие производственные издержки с уровнем снижения затрат или прибавкой урожайности по сравнению с традиционными технологиями.
Основные направления в применении систем ТЗ американскими фермерами:
- сбор и анализ проб почвы (используют свыше 90% респондентов);
- карты урожайности, мониторы урожайности, навигационные GPS-системы (порядка 80%);
- технологии дифференцированного внесения удобрений и предписывающие карты (60%);
- спутниковые снимки и анализ вегетативного индекса растений (30%).
Вот некоторая статистика потенциальных возможностей американских фермеров штата Айова (средний размер агропредприятия — 1080 га) к использованию технологий ТЗ (2012 год):
- использование смартфонов — 80%;
- наличие взаимосвязанных информационных систем — 50%;
- планируют приобрести системы дистанционного зондирования — 60%;
- планируют приобрести системы мониторинга — 80%;
- планируют приобрести программные средства — 70%.
Внедрение ТЗ требует от владельца научного подхода:
- правильно настраивать сбор данных;
- уметь их анализировать;
- принимать оперативные решения, исходя из экономических параметров.
Консультанты некоммерческой организации Precision Corp Service (США) советуют сфокусироваться на 20% технологий, которые будут приносить 80% дохода. Важно найти правильного провайдера IТ-решений, который поможет подобрать их оптимальные комбинации на базе конкретной ситуации.
Автовождение — наиболее популярный элемент технологий ТЗ. В настоящее время ведущими производителями систем автоматического вождения сельскохозяйственной техники являются:
- John Deere (США);
- Autonomous Tractor Corporation (США);
- AGCO Corporation (США);
- CNH Industrial (Нидерланды).
Устройства увеличивают производительность и снижают затраты на топливо, семена, удобрения и пестициды за счет увеличения точности вождения и скорости на 10-15%. Доступная точность вождения составляет ±3 см. Автовождение также позволяет работать в ночное время.
Компания Jonh Deere поставляет инновационную систему автоматического вождения для любой техники AutoTrac 200, которая устанавливается на машины предыдущих моделей производства компании, а также на тракторы, комбайны и кормоуборочные комбайны других производителей.
Современные тракторы при использовании системы автовождения поддерживают заданную скорость операции и автоматически разворачиваются в конце гона, отключают необходимые приводы и переводят рабочие органы в транспортное положение. Эта технология в США, как правило, окупается в течение года.
После автовождения следующей самой распространенной является технология дифференцированного внесения удобрений и семян. Рабочее задание — ключевой элемент управляемого процесса.
Для каждой операции и поля должно существовать рабочее задание, которое покажет оператору что, где и как делать. В дальнейшем все эти задания используются для расчета людских и материальных ресурсов и планирования работ. После выполнения рабочего задания вся информация автоматически поступит в систему для списания использованных средств, регистрации выполненных работ и начисления зарплаты. Руководитель предприятия в реальном масштабе времени может видеть, где находится техника и каков прогресс в выполнении плана работ.
Оптимизация траектории или маршрута движения МТА в поле является частью этого процесса. Прежде всего это означает, что маршрут в определенном поле для выбранного набора машин будет минимальным, что увеличит производительность. В дальнейшем отработанный маршрут будет использоваться для разработки программ и рабочих заданий для всех операций на конкретном поле.
Для того чтобы внедрить эту технологию, все самоходные машины, тракторы и весь автомобильный транспорт должны быть оборудованы GPS. Самоходные опрыскиватели, например, имеют на штанге до 10 индивидуально управляемых секций, каждая из которых может работать по индивидуальной программе.
Тракторы должны иметь CANBUS/ISOBUS, совместимые бортовые системы с телематикой. Сегодня, как правило, все тракторы в США имеют навигацию и 6 каналов пропорционального управления гидравликой. Они также могут поддерживать постоянную скорость или мощность, использовать различные контроллеры других производителей сельхозоборудования. Все комбайны должны быть оборудованы мониторами урожайности.
Привлекательность точного земледелия (ТЗ), как и других технологических инноваций, на практике определяется экономической эффективностью на уровне сельскохозяйственного предприятия.
При анализе экономической эффективности элементов ТЗ сопоставляют затраты на покупку техники и другие производственные издержки с уровнем снижения затрат или прибавкой урожайности по сравнению с традиционными технологиями. Применение ТЗ требует дополнительных затрат, среди которых можно выделить категории:
- затраты на сбор данных (карты, ГСП, сенсоры);
- затраты на менеджмент данных (техника и программное обеспечение);
- затраты на специальную технику и навигацию (автоматически управляемые машины и оборудование для дифференцированной обработки почвы, посева, внесения удобрений, средств защиты растений и др.).
Одни категории затрат реализуются один раз в 5-10 лет, другие требуются ежегодно.
Ближайшие перспективы использования ТЗ заключаются в дифференцированном внесении удобрений и средств защиты растений. Приведем примеры технологий, прошедших апробацию в производственных условиях.
Примером новой системы обеспечения сбалансированного питания растений выступает разработка John Deere совместно с LAND-DATA Eurosoft — a BayWa Company, Vista Geowissenschaftliche и RAUCH.
Система гарантирует более высокую точность, планируя и применяя органические или минеральные удобрения в соответствии со строгими инструкциями, сокращает стоимость, оптимизирует урожай с точки зрения качества и количества, предлагая необходимую документацию.
Инновационная система управления внесением пестицидов (разработчики John Deere, BASF, ISIP, ZEPP, KTBL, JKI и Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen) позволяет учесть широкий диапазон различной информации, чтобы выбрать оптимальный режим обработки и избежать неправильного использования и риска распыления пестицидов в нецелевых областях.
Разработанная системы защиты сельскохозяйственных культур и оборудование для внесения химического препарата помогает пользователям принять конкретное решение для своевременного и точного применения пестицидов.
Важным элементом умного фермерства для работы online и off-line является использование различных сенсорных датчиков.
Датчики предназначены для измерения свойств почвы, растений или животных по электрическим, электромагнитным, оптическим, оптоэлектрическим, радиометрическим, механическим, лазерным, акустическим, пневматическим и термическим параметрам. Разные типы и системы сенсорных датчиков, установленные на агрегатах, контролируют преимущественно операции внесения жидких минеральных удобрений и средств защиты растений, а также обеспечивают наблюдение за растениями (обнаружение сорняков, вредителей, болезней растений, повреждение листьев) и оценку урожайности.
Американская компания Trimble Inc. разработала инновационную систему GreenSeeker RT200, которая в режиме реального времени определяет, сколько азотных удобрений надо внести на данном участке поля путем измерения индекса вегетации биомассы NDVI (Normalized Difference Vegetative Index) и сравнения полученного значения с заданным алгоритмом. Доза удобрения корректируется мгновенно.
Система N-Sensor от компании YARA (Норвегия) предназначена для оптического замера плотности посевов и концентрации хлорофилла в листьях растений, что в сочетании с системой точного позиционирования позволяет локально вносить необходимое количество фунгицидов и стимуляторов роста.
Система управления дозированием в реальном времени по индексу вегетации Crop Circle от компании Holland Scientific (США) имеет широкий частотный диапазон, что позволяет получать более полную информацию о состоянии посевов.
Система дифференцированного внесения SideKick от Raven Industries (США) предназначена для одновременного дифференцированного внесения нескольких типов удобрений или пестицидов по аппликационным картам.
Запатентованная технология WeedSeeker от Trimble Inc. использует оптику и компьютерные технологии для определения сорняков. Приобретенная John Deere компания Blue River Technology с помощью машин See&Spray значительно сокращает внесение гербицидов, проводя обработки только сорняков.
Для определения нужного объема удобрений на каждом участке берут пробы, анализируют результаты, составляют карты полей и задачи для техники в поле. При этом задействуется спутниковая навигация и специализированные программы для удаленного управления техникой. Одним из известных производителей почвоотборников для сельского хозяйства является американская компания Amity Technology. Одна из самых популярных и простых моделей — автоматический почвоотборник Аmity А2450.
Система комплексных решений FarmSight от John Deere включает беспроводные технологии и передовые решения в области точного земледелия и объединяет оборудование, владельцев, операторов и дилеров. Система услуг FarmSight предоставляет данные о работе техники.
Для оптимизации затрат и увеличения урожайности компания FarmX (США) предлагает платформу для точного земледелия. Система FarmMap контролирует состояние почвы, посевов и окружающей среды с помощью собственного почвенного зонда, передает данные и предоставляет аналитику в реальном времени на основе современных процессов машинного обучения. Веб-приложение с открытым исходным кодом farmOS предоставляет инструменты для управления, планирования и ведения учета в сельском хозяйстве.
Основные этапы реализации поставленных целей по использованию ТЗ:
- Создать базу данных.
- Организовать комплексную систему управления производством.
- Оптимизировать технологии.
- Оптимизировать МТП.
- Создать систему управления ресурсами и оптимизации логистики.
База данных предполагает наличие информации о полях: цифровые карты азота, фосфора, калия, гумуса, физико-механического состава почвы. Необходимо также учитывать инфраструктуру хозяйства, состав машинно-тракторного парка, наличие и стоимость материальных ресурсов (вода, ГСМ, удобрения, семена, пестициды), систему сервисного обслуживания и рынки сбыта продукции. Предложение — создать консорциум для разработки комплексной программы управления производством, тестирования и адаптации новых технологий и устройств, обеспечить обучение персонала. Для внедрения подобной системы в Беларуси следует начать разработать новые курсы обучения, создать материальную базу и организовать подготовку специалистов.
Лимитирующие факторы использования технологий точного земледелия
По данным Минсельхоза, Россия занимает 15-е место в мире по степени цифровизации сельского хозяйства. Насколько российские аграрии знакомы с системами точного земледелия и какие факторы являются препятствующими к внедрению таких технологий? Ответ на этот вопрос дало масштабное исследование компании «Клеффманн Групп» по всей России.
Из опрошенных 1756 человек только 43% имели опыт использования комплексных решений точного земледелия. Для тех аграриев, кто дал отрицательный ответ, задавался дополнительный вопрос об основных лимитирующих факторах, которые встают на пути внедрения новейших технологий в хозяйстве.
Как выяснилось, наиболее важная и актуальная проблема отечественных аграриев при внедрении в хозяйство технологий точного земледелия — это финансовый аспект. Большинство российских фермеров готовы внедрять новейшие технологии на своих полях, однако нехватка средств и страх брать на себя финансовые риски являются главным препятствием на пути инноваций. С другой стороны, приемлемая цена, наряду с высоким уровнем поддержки со стороны поставщика, понятными и доступными правилами эксплуатации, может сыграть определяющую роль в решении приобрести ту или иную технологию.
Несмотря на наличие многих доступных технологий ТЗ, в США одной из основных проблем более широкого и полного внедрения точного земледелия является недостаток квалифицированных кадров. В связи с этим во многих университетах США уже введена специальность «Управление сельскохозяйственными системами».
На Среднем Западе США точное земледелие ассоциируется со стремлением максимизировать прибыль, внося удобрения только там, где они действительно необходимы. Как следствие, американские аграрии применяют технологии переменного или дифференцированного внесения удобрений на тех участках поля, которые идентифицированы с помощью GPS-приёмников и где доза удобрений установлена агротехнологом при помощи карт химобследования и планируемой урожайности.
В США также существуют скептики использования принципов ТЗ, которые приводят в свое оправдание свои аргументы. Например, на урожайность влияют не только качество почвы, но также солнечная инсоляция, влага, температура воздуха, живые организмы (сорняки, черви, насекомые, грибы, грызуны, птицы и пр.). Эти многочисленные взаимосвязанные факторы могут в пределах поля существенно варьироваться трудноисследуемым и практически непредсказуемым образом.
Поскольку при «точном земледелии» всякое поле рассматривается как уникальное, то проверить эффективность «точного земледелия» неприменением его на соседнем поле не представляется возможным. Также сложно сравнить урожаи разных лет на одном и том же поле, потому что различие по годам непостоянных и неуправляемых факторов делает сопоставление некорректным. Вычислять какие-то корреляции можно только в теории.
Дополнительная сложность состоит в том, что многолетнее накопление статистических данных не имеет смысла, поскольку рассматриваемый фактор за много лет изменяется: оказывается несколько другим ещё до того, как его успевают более детально изучить. Поле с годами становится несколько другим хотя бы вследствие эрозии почвы. С годами меняются сорта растений, номенклатура удобрений, климатические условия и применяемая техника.
В лабораторных условиях эффективность ТЗ доказывается легко, потому что можно полностью управлять ситуацией на сравниваемых квадратных метрах. Но «экстраполяция» лабораторных результатов на реальное поле зачастую некорректна из-за появления факторов, которые невозможно контролировать достаточно дифференцированно и даже полностью учитывать. Ошибки и сбои в системе ТЗ практически не выявляемы и посредством урожаев недоказуемы.
Для повышения урожайности зачастую достаточно усреднённого внимательного подхода к полю и выполнения требований технологии.
Технологии точного земледелия получают все большее распространение в США и других странах мира. Они основаны на современных способах получения и использования объективной информации о состоянии поля, растений и способствуют реализации программируемой урожайности сельскохозяйственных культур.
В Беларуси и других странах с достаточно высоким уровнем сельскохозяйственных технологий вполне реализуемы устройства для курсоуказания и автовождения машинно-тракторных агрегатов, системы определения и внесения оптимальных доз минеральных удобрений и средств защиты растений.
В конкретных условиях следует учитывать экономическую эффективность элементов технологии точного земледелия и достигаемой рентабельности.
