THE APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY FOR IMPROVING AGRICULTURAL YIELDS
THE APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY FOR IMPROVING AGRICULTURAL YIELDS
Abstract
The article examines the application of information technology, which is one of the modern directions in the development of coordinate or precision agriculture. The possibility of applying Earth remote sensing data allows for the monitoring of land use in the Far East. Professional information services (Vega-Pro), (Vega-Science) and computer GIS programs (MapInfo, ArcGIS) were used for processing and analyzing obtained remote sensing results. According to the calculated vegetation indices NDVI, the problem areas of the experimental field were identified. By the method of local soil sampling with the use of global positioning systems, (their research) in the coordinate system, it is possible to identify the lack of nutrients in the soil and to recommend timely fertilization with necessary elements at different stages of growth of mid-season oat variety on the field plots. Plots of a field with low, medium and high vegetation are computed to describe the main characteristics and yield accounting, which will increase the efficiency of management decision-making.
1. Введение
Сельское хозяйство — это одна из крупных и наиболее важных отраслей экономики России. Оно должно не только обеспечивать продовольственную безопасность страны, но и иметь конкурентоспособность отечественных продуктов на мировых рынках. Сельское хозяйство Дальнего Востока развивается в сложных природно-климатических и экономических условиях. Более 80% территории макрорегиона относится к районам Крайнего Севера и приравненным к ним местностям. Сельскохозяйственные угодья занимают 1,2%, а пашня – 0,4% от земельного фонда Дальнего Востока . Ведение сельскохозяйственной деятельности в таких сложных условиях требует неизмеримо больших затрат человеческого и производственного капитала. Благодаря развитию средств связи, спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС, компьютеризации и использованию навигационных и информационных технологий в области автоматизации сельскохозяйственного производства появилась возможность применения новой системы земледелия – координатного или точного земледелия (precision agriculture).
Координатное (точное) земледелие представляет систему управления продукционным процессом сельскохозяйственных культур, основанную на комплексном использовании современных информационных, навигационных и телекоммуникационных технологий, программно-технических средств и систем, обеспечивающих оптимизацию агротехнологических решений и является одним из современных направлений в развитии ресурсосберегающего земледелия . В ряде работ Балабанова В.И., Березовского Е.В., Личман Г.И., Марченко Н.М., Дринча В.М. и др. рассматривались проблемы и опыт применения технологии точного земледелия , , , . Однако внедрению технических решений и технологий, формирующих так называемое точное сельское хозяйство, а именно применительно к конкретным почвенно-климатическим и хозяйственным условиям уделено недостаточно внимания.
Целью данной работы является возможность использования данных ДЗЗ в точном земледелии для прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур. Для решения поставленной цели необходимо решить основные задачи:
- получить точные данные о многочисленных характеристиках выращиваемых культур в режиме реального времени,
- повысить эффективность принятия управленческих решений, на основе полученных данных за счет точного (дифференцированного) расчета норм внесения удобрений и гербицидов.
2. Методы и принципы исследования
В данной работе использовались данные дистанционного зондирования Земли, полученные со спутников Европейского космического агентства серии Sentinel-2, предназначенных для мониторинга использования земель, растительности, лесных и водных ресурсов.
Для обработки и анализа полученных результатов космического зондирования использовались географические информационные системы . В них входят профессиональные информационные сервисы анализа данных спутниковых наблюдений (Вега-Pro), (Вега-Science), и различные компьютерные ГИС программы (MapInfo, ArcGIS). Для получения данных вегетационного индекса NDVI была использована компьютерная программа «Earth observing system crop-monitoring». Одним из самых популярных вегетационных индексов является NDVI (Normalized Difference Vegetation Index – нормализованный вегетационный индекс). Для расчета индекса NDVI используется формула :
где NIR – ближний инфракрасный цвет, а RED – видимый красный свет.
Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в красном и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей.
Значения NDVI для растений лежат в диапазоне от 0 до 1 , . Разница в динамике индекса вегетации говорит о диспропорциях в развитии в пределах одной культуры или поля.
Для отбора агрохимических проб почвы в системе координат был использован GNSS приемник EFT M3. Данный прибор базируется на высокотехнологичной GNSS-плате Trimble BD970 с технологией Trimble Maxwell 6 для отслеживания данных со спутников на 220 каналах. Интегрированная GNSS-антенна широкого диапазона позволяет отслеживать сигналы всех имеющихся на сегодняшний день спутниковых систем позиционирования: GPS, включая L2C и L5, ГЛОНАСС, BEIDOU, GALILEO, QZSS, SBAS .
В результате исследования, необходимо выявить какие участки опытного поля на разных этапах роста среднеспелого сорта овса являются проблемными для своевременного реагирования в период вегетации этой сельскохозяйственной культуры.
3. Объект и результаты исследования
В качестве объекта исследования рассматривалось опытное поле №162 «Дальневосточного научно-исследовательского института сельского хозяйства», расположенного вблизи села Чистополье, Хабаровского края, Хабаровского района в кадастровом квартале 27:17:0329201 . Характеристики опытного поля: площадь составляет 10 гектар, тип почв лугово-бурые, по механическому составу представляет тяжелый суглинок. Содержания подвижного фосфора 40 мг/кг, обменного калия 155 мг/кг, кислотность pH составляет 4,5, органическое вещество 3,8%. На данном поле в период исследования был посеян среднеспелый сорт овса «Маршал», который имеет вегетационный период 78-90 дней, средняя урожайность в Дальневосточном регионе составляет 36,4 ц/га, поэтому созрела необходимость совершенствовать технологии.
На разных фазах вегетационного периода на опытном поле были отобраны агрохимические пробы почвы в системе координат (используя материалы ДЗЗ) для дальнейшего анализа в лаборатории «ДВНИИСХ», с целью получения данных о содержании питательных веществ. Отбор проб был сделан по результатам анализа космических снимков с высоким (более 0,65) средним 0,6–0,65) и низким (порядка 0,3–04) вегетационным индексом NDVI .
Первый локальный отбор агрохимических проб в системе координат был сделан по космическому снимку, обработанному в программе «Earth observing system crop-monitoring» с получением показателей по вегетационному индексу NDVI 13.06.2022 года, что соответствовала вегетационной фазе кущения овса.
Таблица 1 - Результаты агрохимических показателей на 13.06.2022 года
Второй локальный отбор агрохимических проб в системе координат был сделан по космическому снимку, обработанному в программе «Earth observing system crop-monitoring» с получением показателей по вегетационному индексу NDVI 28 июня, что соответствует вегетационной фазе выхода в трубку овса.
Таблица 2 - Результаты агрохимических показателей на 28.06.2022 года
Третий локальный отбор агрохимических проб в системе координат был сделан по космическому снимку, обработанному в программе «Earth observing system crop-monitoring» с получением показателей по вегетационному индексу NDVI 27 июля, что соответствует вегетационной фазе созревания зерна овса.
Таблица 3 - Результаты агрохимических показателей на 27.07.2022 года
Непосредственно перед уборкой сельскохозяйственной культуры, в данном случае овса сорта «Маршал», были собраны для анализа снопы с участков поля с низкой, средней и высокой вегетацией для описания основных характеристик и учета урожайности. Данные характеристики и урожайность сельскохозяйственной культуры (овса) показаны в таблице 4.
Таблица 4 - Основные характеристики сельскохозяйственной культуры (овса) на поле
Степень вегетации | Площадь участков поля, га | Длина стебля, см | Количество стеблей на 25 см.2, шт | Вес зерна на 25 см.2, г | Вес зерна на 1 м.2, г | Урожайность с гектара, ц |
Высокая | 1,49 | 120 | 201 | 167,6 | 670,4 | 67,04 |
Средняя | 8,34 | 102 | 138 | 104,35 | 417,4 | 41,74 |
Низкая | 0,61 | 85 | 76 | 41,1 | 164,4 | 16,44 |
Из данных таблицы можно сделать вывод, если бы на всем опытном поле вегетационный индекс NDVI был бы высоким, то урожай зерна составлял бы 670 центнеров, так он составляет 450 центнеров. Так как было установлено, что на вегетацию значительно влияет содержание фосфора (P2O5) в почве, то зная проблемные участки поля, необходимо было внести удобрения, в частности фосфоритную муку, это могло бы увеличить урожай практически на 30%.
4. Заключение
В результате исследования было показано, что по материалам дистанционного зондирования Земли возможно проводить дистанционный мониторинг сельскохозяйственных культур. По рассчитанным вегетационным индексам NDVI выявлены проблемные участки опытного поля. С применением систем глобального позиционирования, методом локальных отборов почв в системе координат можно установить недостаток питательных веществ в почве и рекомендовать вовремя внести удобрения с необходимыми элементами на разных этапах роста среднеспелого сорта овса на участках поля.
Рассчитаны участки поля с низкой, средней и высокой вегетацией для описания основных характеристик и учета урожайности.
Считаем целесообразным повышать эффективность сельскохозяйственного производства с помощью расширения и ускорения использования точного земледелия, что будет способствовать высокой урожайности сельскохозяйственных культур и, как следствие, устойчивому сельскому хозяйству на Дальнем Востоке.