Точная ирригация картофеля с системой проксимального зондирования
Австралийские исследователи из Университета Монаша (Сяолин Ву, Джеффри П. Уокер, Ванесса Вонг) в статье, опубликованной в журнале Agriculture 2023 на портале MDPI, представили свою разработку для точного полива картофеля и объяснили, что такое система проксимального зондирования.
«Вода является важным ресурсом для производства сельскохозяйственных культур, включая картофель, где оптимальный полив имеет решающее значение для достижения высоких урожаев. Чрезмерный или недостаточный полив не только снижает урожайность, но и может привести к полной гибели растений. Сегодня, с непредсказуемыми засухами, крайне важно использовать поливную воду экономно и точно.
Одним из способов достижения точной ирригации считается изменение количества воды, подаваемой на различные участки фермы, в зависимости от фактического уровня влажности почвы, возникающего в результате различий в свойствах почвы и топографии. Например, на засушливых участках можно применять дополнительный полив, а на более влажных сократить подачу воды. Логично, что для этого нужно знать влажность почвы на каждом участке.
Хотя спутниковые методы определения влажности почвы, такие как SMAP и SMOS, обеспечивают высокую точность, их пространственное разрешение все же ограничено из-за высоты орбиты 600–800 км. Это приводит к разрешению около 40 км, что недостаточно для точных сельскохозяйственных приложений, таких как точная ирригация, когда условия влажности почвы могут значительно различаться в пределах одного поля. Чтобы преодолеть это ограничение, существует проксимальный подход – то есть использование той же технологии, но на гораздо меньшем расстоянии от земли.
В нашем исследовании проксимальный подход направлен на улучшение пространственного разрешения за счет установки радиометра L-диапазона непосредственно на ирригационную штангу. При этом наблюдения проводятся в непосредственной близости от поверхности почвы, что позволяет получить гораздо более точное разрешение 5 м или даже меньше. Эта установка на основе близости позволяет фиксировать подробные изменения влажности почвы по всему полю, обеспечивая более точное управление орошением.
В текущем исследовании протестирована установка с одной фиксированной точкой на ирригационной стреле. Тем не менее, есть возможности для дальнейшего усовершенствования картографирования влажности почвы по всей длине стрелы. Один из подходов включает в себя установку нескольких фиксированных точек вдоль стрелы, стратегически расположенных для получения полной картины распределения влаги в почве. В качестве альтернативы может быть реализована рельсовая система, позволяющая сканировать вперед и назад вдоль ирригатора, покрывая всю интересующую область.
При том, что оптические данные видимого и ближнего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра легко доступны с высоким пространственным разрешением, на них сильно влияют облака, что делает данные нечастыми во времени. Более того, возможность преобразовать эту информацию в точную информацию о влажности почвы, относящуюся к настоящему времени, является сложной задачей.
Напротив, микроволновые датчики (в нашем исследовании это радиометр L-диапазона Европейского космического агентства (ELBARA)) могут работать в облачных условиях и обеспечивать точные измерения влажности почвы для приповерхностного слоя почвы благодаря их тесной связи с диэлектрическими свойствами воды.
Как видно на изображении 1, система ELBARA устанавливается на ирригационную штангу высотой 4,5 м и с углом обзора 40 градусов. Разрешение конечного продукта влажности почвы, полученного с помощью этой системы, составляет примерно 5 м, при этом радиометр ELBARA наблюдает за землей, когда линейный ороситель перемещается по полю.
Изображение 1. (а) Блок управления и батарея L-диапазона радиометра ELBARA; (b) рупорная антенна; (c) водонепроницаемый бокс с компонентами; (d) установка системы ELBARA на ирригатор линейного перемещения; (e) мониторинг влажности почвы на картофелеводческой ферме с помощью Smart Irrigation System. Авторы изображения: Сяолин Ву, Джеффри П. Уокер, Ванесса Вонг.
Экспериментальная ферма была расположена в Кора Линн, штат Виктория, Австралия, на площади 200 м на 600 м. Хозяйство выбрано специально, так как оно преимущественно ориентировано на выращивание картофеля. На выбор фермы повлияло несколько факторов, в том числе чувствительность растений картофеля к воде, наличие существующих станций мониторинга влажности почвы и внедрение системы линейного полива, оснащенной насадками с регулируемой скоростью для точной и эффективной подачи воды.
В рассматриваемой здесь интеллектуальной системе орошения собранные данные ELBARA будут преобразовываться во влажность почвы в режиме реального времени и отправляться обратно на контроллер системы орошения для регулировки нормы подачи воды каждой головкой форсунки. Хотя система ELBARA, показанная на изображении, является большой и громоздкой, она предназначалась только для демонстрационных целей, и, в принципе, можно разработать и развернуть гораздо более компактную систему на солнечной энергии.
Был проведен полевой эксперимент, чтобы зафиксировать изменение влажности почвы на ферме с помощью радиометра, а также лабораторные испытания.
Ожидается, что с помощью такой технологии будет создана карта полива в режиме реального времени, которая затем будет передана в программное обеспечение для полива, чтобы отрегулировать скорость каждой форсунки в соответствии с требованиями без недостаточного или избыточного полива.
Инновационным аспектом этого исследования является демонстрация системы проксимального зондирования, которая будет экономичной и простой в реализации, используя систему точного позиционирования и записи в реальном времени.
Это значительно сократит временные затраты и сделает обработку изображений автоматической, предоставляя экономичный метод измерения влажности почвы с высоким разрешением в фермерских масштабах.
Во всем мире наблюдается большой и растущий интерес к использованию проксимального зондирования в точном земледелии. Таким образом, доступ к данным о содержании влаги в почве в режиме реального времени позволит картофелеводам не только контролировать нормы полива, но и повысить урожайность и, в свою очередь, максимизировать прибыль.
Современная система планирования орошения с умной сенсорной технологией для оптимального использования воды может предоставить возможность самостоятельно адаптировать нормы орошения к ситуации и бизнес-целям каждого пользователя и работать автономно».
По статье группы авторов (Сяолин Ву, Джеффри П. Уокер, Ванесса Вонг), опубликованной на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Дмитрий Лукьянов.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.