Географические информационные системы (ГИС)

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 12Следующая ⇒

Географическая информационная система (ГИС) обеспечивает сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно координированных данных. ГИС предназначены для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества.

Геоинформационные технологии объединяют методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), системы управления базами данных (СУБД), системы глобального позиционирования (GPS), методы анализа и дешифрования геоинформации, интернет-технологии, системы картографирования, методы цифровой обработки изображений. Аппаратными средствами являются компьютеры (платформы), на которых работает ГИС. Кроме того, географические информационные системы используют разнообразное периферийное оборудование: дигитайзеры (устройства для бесклавиатурного ввода данных и графических изображений в компьютер), лазерные принтеры, плоттеры для печати карт и т. п. Программное обеспечение позволяет вводить, сохранять, анализировать и отображать географическую информацию. Ключевыми компонентами программного обеспечения являются средства ввода и манипулирования географическими данными; система управления базой данных; программные средства, обеспечивающие поддержку запросов, географический анализ и визуализацию информации; графический интерфейс пользователя, облегчающий использование программных средств.

Наиболее важным компонентом ГИС являются данные. ГИС работают с данными двух основных типов. Пространственные (картографические, векторные) данные описывают положение и форму географических объектов и их пространственные связи с другими объектами; описательные (атрибутивные, табличные) данные о географических объектах состоят из наборов чисел, текстов и т. п. Описательная информация организуется в базу данных так, что отдельные таблицы связываются между собой по ключевым полям, для них могут быть определены индексы, отношения и т. п. Кроме этого, в ГИС описательная информация связывается с пространственными данными. Отличие ГИС от стандартных систем управления базами данных (dBASE, Access и т. п.) состоит в том, что ГИС позволяют работать с пространственными данными, которые представляются в двух основных формах— векторной и растровой.

Векторная модель основывается на представлении карты в виде точек, линий и плоских замкнутых фигур, растровая— на представлении карты с помощью регулярной сетки одинаковых по форме и площади элементов.

Комплексная ГИС, как правило, включает цифровые карты содержания минеральных веществ в почве, типов и характеристик почв, карты уклонов (с цифровой моделью рельефа) и экспозиций склонов, погодных, климатических и гидрологических условий. Крайне важная информация— цифровые карты, представляющие ряд последовательных факторов, таких как урожайность и тип посевов, тип механической и химической обработки почв, пространственное распределение заболеваний культур и динамика распространения вредных насекомых. При наличии такой информации открываются неограниченные возможности анализа, прогноза и оптимизации деятельности сельскохозяйственных предприятий.

Программное обеспечение ГИС обычно включает следующие функциональные модули: ввода информации, поддержки интерфейса, отображения и обработки минорной информации, отображения и обработки растровой информации, обработки табличной информации, преобразования информации разных типов, вывода информации.

Приборы и оборудование

Датчики (сенсоры)

Важным элементом в точном сельском хозяйстве для работы в режимах онлайн и оффлайн является использование различных датчиков (сенсоров). В настоящее время широко применяются на практике датчики для управления и контроля режима работы сельхозтехники, двигателей, технологических параметров.

Датчики могут выполнять следующие функции:

определение свойств почвы (плотность, электрическая проводимость, содержание гумуса, определение рельефа с помощью топографических индексов влажности и силы потока);

измерение свойств растений и травостоев (определение доз азота и регуляторов роста, компьютерный мониторинг урожайности, оценка параметров качества продуктов уборки, определение засоренности, поражения болезнями и вредителями);

контроль дистанционными методами.

По типу измеряемых параметров выделяют датчики (сенсоры), работающие с техническими (сила, ускорение, скорость, момент вращения, частота вращения, давление, расстояние, угол, проходимость массы, проходимость объема) и технологическими параметрами. Технологические параметры различаются в зависимости от объекта измерения: для почвы это плотность, содержание питательных веществ, кислотность (рН почвенного раствора), содержание органической субстанции, электропроводность, влажность, текстура; для растений— содержание питательных веществ, содержание хлорофилла, биомасса, урожайность, индекс вегетационной массы, засоренность, поражение болезнями и вредителями; для животных— масса, температура, тип поведения, продуктивность. Датчики могут измерять свойства почвы, растений или животных по электрическим и электромагнитным, оптическим, оптоэлектрическим и радиометрическим, механическим, лазерным, акустическим, пневматическим и термическим параметрам.

Полевые и бортовые компьютеры

В точном земледелии требуется сбор большого количества данных в разных местах, перенос их на различное оборудование, обработка и накопление. Во многих случаях для этого используются мобильные карманные компьютеры или полевые компьютеры. Они употребляются прежде всего для автоматизированного сбора данных, мобильной документации истории поля, определения площади поля, поддержки ручного управления и управления машинами и оборудованием.

Бортовой компьютер с программным обеспечением выполняет следующие основные функции:

фиксирует координаты агрегатов (мобильных комплексов) в любой момент путем приема сигналов от ГСП и других датчиков в процессе движения и при необходимости осуществляет навигацию в заданную точку;

автоматически создает электронные карты обследованных полей с разбивкой их на участки заданных размеров;

обеспечивает накопление и первичную обработку данных полевых измерений с использованием ГИС-технологий и экспорт этой первичной информации в стационарный компьютер;

формирует управляющие сигналы для дифференцированного выполнения тех или иных агротехнических операций и обеспечивает их соответствующий контроль на основе выработанной стационарным компьютером программы реализации технологии.

Бортовой компьютер собирает фиксируемую сенсорами информацию и сохраняет ее на карте памяти (флешкарте), с которой впоследствии данные переносятся для обработки в офисный компьютер. В этот же бортовой компьютер можно внести уже готовую аппликационную карту. Допустим, что это карта влажности, полученная незадолго до посева. На бортовом компьютере фермер устанавливает норму высева семян и сразу вводит информацию о корректировке этой нормы в зависимости от влажности участка почвы, на котором будет проходить посев. Таким образом, на участках поля, где влажность достаточная, посев производится по установленной норме, а там, где влажность ниже допустимой, норма высева автоматически снижается. Это осуществляется с помощью бортового компьютера, в котором уже имеются данные о состоянии почвы. При необходимости он на мгновение останавливает катушку высевающего аппарата, тем самым увеличивая расстояние между посевами, обеспечивая их одинаковую влажность и, соответственно, более равномерную всхожесть семян.

Современный бортовой компьютер, объединенный с электронными процессорами сельскохозяйственных машин и орудий, представляет собой многофункциональную информационно-управляющую систему, обеспечивающую оптимальную настройку машинно-тракторного агрегата во всех режимах работы.

Системы управления движением агрегата

В сельском хозяйстве доказали свою эффективность и получили широкое распространение два класса приборов для управления движением тракторов и комбайнов, использующих GPS-приемники: системы параллельного вождения и автопилоты. Использование космических навигационных систем становится возможным после установки на транспортное средство специального приемника, постоянно получающего сигналы о местоположении навигационных спутников и расстоянии до них. На базе GPS-приемников созданы разнообразные устройства управления движением техники. На точность определения местоположения влияет несколько основных факторов: временные рассогласования, количество одновременно наблюдаемых спутников, атмосферная интерференция, вариации орбит спутников, многолучевое распространение сигнала и др.

Системы параллельного вождения предполагают активное участие механизатора в управлении машиной по схеме «измерение текущих координат сельхозмашины— отображение отклонений от заданного маршрута на табло в кабине— вращение механизатором рулевого колеса для удержания агрегата на заданном маршруте». По техническому исполнению они могут быть ручными (когда система только показывает отклонение от рассчитанной идеальной линии, служащей ориентиром для тракториста) и с частичным автопилотированием (когда система автоматически удерживает транспортное средство на колее, если водитель после разворота правильно направляет трактор).

В общем случае система параллельного вождения состоит из GPS-приемника с внешней антенной, контроллера и указателя курса. Системы легко и быстро устанавливаются на трактор или комбайн; требуется только подключение к электропитанию и установка внешнего блока (приемник GPS). На обучение механизаторов работе с данным видом оборудования в зависимости от желаемой «глубины» изучения затрачивается время от нескольких минут до суток.

Классическая форма одного из компонентов системы— курсоуказателя— горизонтальный ряд светодиодных индикаторов в пластиковом корпусе. Он расположен внутри кабины, в поле периферийного зрения водителя, обычно над рулем или перед рычагами управления. Водителю не нужно переключать внимание на отслеживание внешних ориентиров, поэтому он меньше отвлекается от вождения и контроля приборов. Более того, ранним утром при низком солнце или вечером в сумерках бывает трудно рассмотреть маркеры и другие ориентиры, а указатель курса всегда перед глазами.

Перед началом работы водитель выбирает необходимый режим обхода поля, устанавливает расстояние между рядами и чувствительность указателя курса. Фиксацию текущего положения машины с помощью GPS-приемника, запоминание маршрута, вычисление отклонения от него и управление индикацией осуществляет специализированный процессор. Алгоритм управления транспортным средством с помощью указателя курса достаточно прост: если индикаторы светятся в центре, то машина идет правильно, если свет начал перемещаться, например вправо, значит, машина уходит вправо. Водитель должен компенсировать отклонение от ряда. Если он уехал с поля для дозаправки или был вынужден прекратить работу из-за непогоды, то в дальнейшем может вернуться в точку, где была остановлена работа, и продолжить вождение по выбранной ранее траектории. Помимо варианта со светодиодными индикаторами в пластиковом корпусе, существуют системы параллельного вождения с графическим дисплеем (например, фирмы John Deere), формирующим двумерное условное изображение машины, отрабатываемого ряда и линий сетки для визуализации движения.

Система вождения, объединенная с агрегатами точного дозирования и специальным программным обеспечением, позволяет создавать и использовать карты обработки полей с запоминанием траектории вождения машины. В русском варианте привычным стал термин «система параллельного вождения», хотя современные системы с GPS-навигацией дают возможность прокладывать и отслеживать не только прямолинейные, но и криволинейные траектории и их сочетания.

Анализ представленных на мировом рынке систем параллельного вождения фирм Dickey-John, LH Agro, Outback, Patchwork, RDS, Trimble, Farmcan,

Sat Plan, AutoFarm, AGCO, Agrocom, Claas, John Deere и других показывает, что все они легко устанавливаются на трактор, обеспечивают отчетливость наведения с различной степенью точности, позволяют повысить производительность и качество выполняемых работ, сократить затраты за счет увеличения эксплуатационной ширины орудий. Зарубежные фирмы постоянно совершенствуют системы параллельного вождения, повышая их надежность и точность и расширяя функциональные возможности. Системы параллельного вождения позволяют работать в условиях плохой видимости и ночью, они закладывают в память координаты последней точки работы агрегата и обеспечивают возобновление ее с этого места.

Автопилотирование отличается от параллельного вождения тем, что отклонения от заданной траектории, вырабатываемые GPS-приемником, через специальные устройства вводятся непосредственно в систему управления ходовой частью, обеспечивая движение по маршруту без вмешательства механизатора. Современные автопилоты подразделяются на гидравлические, электрические и с подруливающим устройством. Гидравлические автопилоты встраиваются в систему гидравлики трактора, непосредственно управляют колесами по информации с приемника GPS/GLONASS. Они состоят из трех компонентов: приемника GPS/GLONASS с устройством отображения (дисплеем), электрического управляющего навигационного контроллера и гидравлического управляющего блока. На основе данных с приемника GPS/GLONASS гидравлическая система поворачивает колеса в нужную сторону для обеспечения прямолинейности движения, что позволяет полностью реализовать точность дифференциальных поправок. Автопилот ведет технику по нескольким программам: параллельными прямыми линиями, параллельными кривыми линиями, по кругу, по азимуту и т. д.— и самостоятельно корректирует движение на прямых и извилистых участках. Оператор может в любое время перехватить у автопилота управление простым поворотом руля или нажатием на кнопку включения автопилота. Установка и настройка гидравлического автопилота занимает несколько часов и проводится только квалифицированными специалистами поставщика.

Электрические автопилоты соединяются с системами трактора через CAN-шину и через нее же передают управляющие сигналы на сельскохозяйственные агрегаты. Поэтому для использования автопилотов данного типа трактор должен быть оснащен такими агрегатами, CAN-шиной и соответствующим программным обеспечением.

Автопилот с подруливающим устройством— это автопилот с исполнительным механизмом, который устанавливается на рулевую колонку, что позволяет удерживать машину на заданном маршруте. Этот механизм на базе электродвигателя управляется от системы параллельного вождения и передает усилие через резиновый валик на рулевое колесо. При необходимости механизатор в любой момент может взять управление на себя. Современные автопилоты могут одновременно контролировать работу нескольких сельскохозяйственных машин и быть как стационарными, так и портативными.

Система Auto-Steer позволяет двигаться не только по прямым и криволинейным контурам, но и по веерным рядам, а также создавать индивидуальные трассы для террас, контурной обработки, для работы вдоль русла рек и на полях неправильной формы. Модульная конструкция оборудования обеспечивает быстрый монтаж на тракторах и других машинах.

Система автовождения Auto Тгас фирмы John Deere (США) представляет собой навигационную систему с расширенными возможностями, рассчитанную на прием сигналов от десяти спутников. Для рабочих машин она обеспечивает автоматическое прохождение прямолинейных и криволинейных маршрутов, а ее тракторная версия применима лишь для параллельного движения. Для того чтобы сообщить системе управления, в каком направлении надо двигаться, к началу полевых работ закладывается исходная колея, автоматически просчитываемая компьютером. Водитель должен лишь зафиксировать начальный и конечный пункты нажатием на соответствующую кнопку. Если рабочая ширина захвата агрегата уже занесена в память процессора, то он начинает наносить по обе стороны от опорной линии виртуальные параллельные линии с интервалом, равным ширине захвата. После этого можно сразу включить автоматическое управление. При выполнении разворота на краю поля водитель вручную направляет агрегат на новую колею, и на дисплее указывается фактический интервал. Приблизившись к заданной колее на 80 см, включают режим автоматического управления. После второго разворота на краю поля процессор запоминает местоположение и предупреждает о повороте звуковым сигналом.

Компьютер также способен запомнить географическое положение отдельной точки траектории, в которой, например, опустел бак опрыскивателя. После заполнения бака система с точностью до сантиметра находит оставленное место и обеспечивает продолжение работы по намеченному маршруту.

Мобильные диагностические комплексы

Одним из важных элементов технологии точного земледелия является картирование урожайности. В обычном понимании урожайность означает получение одного общего количества продукции с определенной площади, например с поля, — так называемая валовка. В результате получается усредненное значение урожайности, которое экстраполируется на все поле и сопоставляется с усредненной обеспеченностью почвы элементами питания. Соответственно делаются усредненные выводы.

Противоположный метод предполагается при внедрении системы точного земледелия— учет урожая с каждого участка поля с обязательной географической привязкой полученных данных. Для этого уборочные машины (на первом этапе— зерноуборочные комбайны) оснащаются специальным оборудованием, предназначенным для определения урожайности на отдельных участках поля. Оно может устанавливать такие показатели, как урожайность, влажность и масса собранного зерна, обработанная площадь. Особенно важно определение влажности зерна— это позволяет разделить партию зерна на фракции по влажности и спланировать затраты на просушку. Приемник сигналов GPS со спутниковой группы в реальном времени привязывает показания датчиков урожайности к электронной карте. В результате получается цифровая карта урожайности, которая содержит данные со всех комбайнов, оснащенных бортовым компонентом системы. Эта карта вместе с картой агрохимического обследования используется для создания технологической карты дифференцированного внесения семян, удобрений и средств защиты растений.

С учетом данных о том, какой участок поля принесет больший урожай,

исходя из оптимизации затрат и извлечения максимальной прибыли, принимается решение о дифференцированной обработке полей. Возможна постановка противоположной задачи— сокращение затрат в соответствии с потенциалом урожая на обедненных участках поля, включая принятие решений об изменениях севооборота, конфигурации полей и высеваемых культур.

Картирование урожайности позволяет сократить количество почвенных проб при последующем агрохимическом обследовании, так как оно проводится только на участках с минимальной урожайностью. «Комбайновый способ» оценки урожайности выгоден тем, что он позволяет оценить необходимость дифференцированного применения удобрений, провести выборочный агрохимический анализ. Для получения максимальной информации создаются многослойные электронные карты полей. Они состоят из нескольких тематических слоев, которые могут отображаться на экране компьютера по очереди или одновременно в любом сочетании. Количество слоев зависит от потребностей и спецификации каждого хозяйства. На них могут быть отражены результаты агрохимического и агрофизического обследований, уборки, погодные условия, севообороты, рельеф, карта урожайности и влажности зерна и т. д. Наиболее важными считаются карты агрохимического обследования и урожайности.

Для работы с многослойными электронными картами используются специальные пакеты компьютерных программ на базе геоинформационных систем (AgroNET NG, AgroMap и др.). Последовательность накопления слоев электронной карты может быть произвольной, но начинать надо с составления карты фактической урожайности, которая может служить обоснованием дальнейших агрохимических обследований.

Ежегодное составление карт урожайности позволяет осуществлять постоянный мониторинг урожайности, направленный прежде всего на ее увеличение.

Зарубежные фирмы, производящие зерноуборочные комбайны, оснащают их различными системами картирования урожайности, в том числе собственного производства. Например, фирма Claas предлагает систему Claas Lexion. Она дает возможность целенаправленно выявлять недостаток удобрений на участках с низкой урожайностью, проблемные зоны с уплотненными почками и плохим дренажом, зоны, пораженные сорняками и вредителями.

Система картирования урожайности Green Star Harvest Doc разработана фирмой John Deere специально для выпускаемых ею комбайнов. Она состоит из бортового оборудования (навигационная система StarFire iTC с возможностью принимать бесплатную поправку John Deere SF1, дисплей, мобильный процессор, ключевая карта, установочный набор системы Green Star, кабели для стыковки модулей системы с проводкой комбайна, две карты памяти PCMCIA, проводка Green Star, датчики массы и влажности, бортовой принтер для распечатки чеков) и настольного программного обеспечения JD ReportsMAP. Процессор при работе использует карту памяти KeyCard, на которой предварительно записаны различные приложения— Parallel Tracking, Field Doc и программа картографирования урожайности, а с помощью карты памяти PCMCIA можно переносить собранные при работе в поле данные из системы Green Star в установленный на офисном компьютере пакет JD Office и обратно.

Наряду со специализированными применяются универсальные системы картирования урожайности, их можно устанавливать на любой зерноуборочный комбайн.

Точность картирования во многом зависит от естественной вариации урожайности сельскохозяйственных культур. При коэффициенте вариации более 50% точность очень низкая, поэтому вся система картирования полей предполагает сравнительно высокую культуру растениеводства, в том числе высококачественное семеноводство и выполнение всех требований технологизации производства. Получение информации о вариабельности внутри поля почвенного покрова, состояния растений и их продуктивности, степени поражения вредителями, болезнями и сорняками требует мобильных контактных и дистанционных методов диагностирования и соответствующих методических указаний.

В качестве современного оборудования для отбора проб российским сельхозтоваропроизводителям предлагаются различные автоматизированные устройства. В Агрофизическом НИИ (Санкт-Петербург) создан мобильный автоматизированный комплекс, позволяющий проводить полевое обследование почв на современном уровне с использованием последних достижений в области информационных технологий. В реализованном варианте комплекс включает следующие функциональные компоненты:

движитель;

автоматический почвенный пробоотборник;

спутниковую систему позиционирования (GPS);

бортовой компьютер;

программное обеспечение.

В качестве движителя выбран автомобиль «Нива» как наиболее подходящий по критерию мобильности (возможности перемещаться на расстояния большие, чем угодья одного хозяйства), а также по грузоподъемности, стоимости и проходимости. Если к тому же автомобиль снабжен так называемыми шинами низкого давления, то его проходимость увеличивается в несколько раз.

Автоматический почвенный пробоотборник представляет собой агрегат, смонтированный в виде навесного оборудования на задней части рамы автомобиля «Нива». Он оснащен двумя почвенными бурами, гидравлической системой и электромотором, работающим от стандартной аккумуляторной батареи автомобиля. Почвенные пробы берутся на глубине до 25 см. Управление пробоотборником производится с пульта, установленного в кабине. Почва собирается в специальный контейнер на пробоотборнике и по окончании отбора объединенной пробы, то есть пробы с одного элементарного участка поля, пересыпается в отдельную маркированную тару.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒