Статья: Интеллектуальная полевая сенсорная станция для мониторинга агрофизических параметров и фенотипирования в системе точного земледелия (2024)

Отметили достижения отечественных ученых, инженеров и конструкторов по применению пестицидов в сельском хозяйстве. (Цель исследования) Провести ретроспективный анализ развития технологий защиты растений и средств механизации в Российской Федерации. (Материалы и методы) Использовали публикации в научных журналах, монографии, материалы конференций, экспозицию научно-методического кабинета (музея) Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений, архивные фотоматериалы. (Результаты и обсуждение) Представлены сведения о создании в 1931-1941 годах отечественных конных, навесных тракторных, автомобильного полевого и портального садового опрыскивателей. В 1960-е годы усилия были направлены на определение оптимальных размеров и радиуса фитоцидного действия капель распыленной жидкости для внесения средств защиты растений, прежде всего при малообъемном опрыскивании. Развивались аэрозольные технологии. Отметили вклад доктора технических наук В. Ф. Дунского в разработку теоретических основ физики и техники мелкокапельного и малообъемного опрыскивания. Важное значение для развития и совершенствования технических средств защиты растений имела разработка системы машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства при научно-методическом руководстве ученых Всероссийского института механизации сельского хозяйства. С уменьшением норм расхода рабочей жидкости потребовались ротационные (дисковые) распылители для наземной и авиационной опрыскивающей аппаратуры. Были созданы более экологически безопасные распылители с сепарацией или принудительным осаждением мелких капель, предложен способ электрозарядки капель. Современные подходы в разработке новых технологий защиты растений базируются на концепции точного земледелия. К ним относится дифференцированная обработка культур с учетом пространственной неоднородности распределения вредных объектов на участках поля. (Выводы) Технологии защиты растений и средства механизации развивались и совершенствовались с появлением новых химических средств. Следует отметить использование спектрометрии для формирования библиотек спектральных образов культурных и сорных, здоровых и больных растений для автоматической дешифрации снимаемой информации с участков поля с помощью нейронных сетей (искусственный интеллект), применение беспилотных летательных аппаратов для внесения средств защиты растений.

Объемы производства зерна и другой продукции растениеводства зависят от наличия земельных ресурсов и степени их сельскохозяйственного использования. (Цель исследования) Провести ретроспективный анализ общих тенденций изменения и взаимосвязи площади сельскохозяйственных угодий и парка тракторов. (Материалы и методы) Проанализировали этапы становления и развития системы землепользования и вовлечения в оборот сельскохозяйственных угодий в России в трех исторических периодах: 1920-1940, 1945-1990, 1991-2022 годы. Выявили эволюционные факторы и закономерности развития взаимосвязи площади сельскохозяйственных угодий и парка тракторов. (Результаты и обсуждение) Отметили, что в результате внедрения программ индустриализации и коллективизации с 1928 по 1940 год прослеживается тенденция увеличения площади сельскохозяйственных угодий с 113 миллионов до 150 миллионов гектаров и парка тракторов с 27 тысяч до 531 тысячи единиц. В 1945 году посевная площадь сократилась до минимального значения 113,8 миллиона гектаров, тракторов - до 397 тысяч единиц. В 1960 году в результате освоения целинных и залежных земель увеличилась посевная площадь до 203 миллиона гектаров, количество тракторов достигло 1122 тысячи. Выявили, что вследствие повышения уровня механизации наибольшее увеличение площади посевных угодий было зафиксировано в 1985 году - 210,3 миллиона гектаров и количество тракторов достигло 2830 тысяч. Установили, что в период 1991-2022 годов происходило системное сокращение парка тракторов, которое привело к выбытию сельскохозяйственных угодий. В 1991 году количество тракторов составляло 1344,2 тысячи, в 2022 году снизилось на 1147,4 тысячи и составило 196,8 тысячи единиц. Распад Советского Союза в 1991 году и переход от государственно-командной экономики к рыночной оказали серьезное влияние на развитие российского сельского хозяйства. (Выводы) Динамика использования почвенных угодий в разные периоды отражала как экстенсивный метод ведения хозяйства, так и интенсивный. Экстенсивный путь заключался в увеличении площади сельскохозяйственных угодий за счет освоения целинных, залежных и неиспользуемых земель. В настоящее время развитие идет по интенсивному пути за счет повышения уровня механизации, автоматизации, химизации и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур.

Отмечено, что моделирование процесса высушивания пробы семян горчицы при термогравиметрическом измерении влажности позволит определить наиболее эффективные варианты конструкции сушильных камер. Семена горчицы в данном процессе представляют собой зерновоздушную смесь с определенными теплофизическими характеристиками. (Цель исследования) Измерить основные теплофизические коэффициенты зерновоздушной смеси горчицы для различных значений влажности при высокой температуре. (Материалы и методы) Использованы образцы семян горчицы влажностью от 3,24 до 15,07 процентов. Метод цилиндрического слоя позволяет равномерно распределить тепло при размещении нагревателя в центре слоя материала. Сконструированы экспериментальные установки для измерения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности семян горчицы. Коэффициенты объемной и удельной теплоемкости определены расчетным путем. (Результаты и обсуждение) Построены графики зависимости коэффициентов теплопроводности, температуропроводности, объемной и удельной теплоемкости, а также объемной плотности зерновоздушной смеси семян горчицы от влажности. Найдены аппроксимирующие функции этих зависимостей в исследуемом диапазоне. (Выводы) В диапазоне влажности от 3,24 до 15,07 процентов коэффициент теплопроводности зерновоздушной смеси семян горчицы возрастает от 0,156 до 0,176 киловатта на метр и градус Кельвина; коэффициент температуропроводности повышается от 6.29·10-8 до 7,70·10-8 метр квадратный на секунду; объемная теплоемкость зерновоздушной смеси уменьшается с 2490,8 до 2286,9 килоджоуля на метр кубический и градус Кельвина. Установлено, что объемная плотность в том же диапазоне влажности сначала растет, а после достижения максимума при влажности около 7,5 процентов снижается. Удельная теплоемкость, напротив, уменьшается до точки минимума при влажности примерно 9 процентов, а затем возрастает.

Болезни растений снижают урожайность сельскохозяйственных культур и могут серьезно повлиять на устойчивость аграрной отрасли. Для контроля и эффективной борьбы болезней важно их выявлять на раннем этапе. Провели анализ оптических методов и приборов диагностики зараженности растений. (Цель исследования) Разработать прибор оптической фотолюминесцентной диагностики заражения семян злаковых растений фузариозом. (Материалы и методы) Исследовали зараженные фузариозом семена озимой пшеницы сорта Иришка 172 и ячменя Московский 86. (Результаты и обсуждение) В универсальном приборе, измеряющем зараженность пшеницы и ячменя, необходимо иметь три источника излучения с длиной волны 362, 424 и 485 нанометров. Для возбуждения люминесценции на длине волны 362 нанометра наиболее подходит светодиод VLMU3510-365-130, на 424 нанометра - светодиод CREELED424, на 485 нанометров - светодиод XPEBBL-L1. Для регистрации люминесценции семян в диапазонах 390-550 и 510-670 нанометров выбран фотодиод VEMD5510, а в диапазоне 450-600 нанометров - фотодиод BPW21R. Также выбраны микроконтроллер, операционный усилитель, дисплей, клавиатура и другие компоненты. Разработана структурная схема, включающая светооптический и электронный блоки, а также блок питания. При лабораторных испытаниях прототипа прибора «ЛЮМ ВИМ-1» получены зависимости фотосигналов при 362, 424 и 485 нанометрах для семян пшеницы и ячменя различной степени зараженности. Методика определения зараженности фузариозом включает пробоподготовку, возбуждение и регистрацию фотолюминесценции, усиление соотношения фотосигналов и расчет зараженности по градуировочным уравнениям. (Выводы) На основе критерия энергоэффективности выбраны источники и приемники излучения для прибора экспресс-контроля степени заражения фузариозом семян пшеницы и ячменя. В ходе лабораторных испытаний подтверждены ранее полученные зависимости потоков фотолюминесценции семян от зараженности и уточнены градуировочные характеристики разработанного прибора.

Для совершенствования технологических процессов в селекции зерновых культур был предложен способ защиты посевного материала и разработано устройство для посева семян необмолоченными колосьями, повышающие производительность труда при посеве и обеспечивающие сортовую чистоту. Отмечено возможное застревание колосков в механизмах сеялки в процессе высева и снижение продуктивности семян в колосе. Для устранения выявленных недостатков предлагается применять биоразлагаемые полимерные материалы из поливинилового спирта и полилактида для капсулирования колосьев, высеваемых колосковой сеялкой. (Цель исследования) Анализ влияния капсулирования колосьев пшеницы сорта Рима биоразлагаемыми материалами на качество посева колосковой сеялкой и показатели продуктивности семян. (Материалы и методы) Качество посева оценивалось по коэффициенту вариации интервалов между соседними колосьями. Продуктивность семян анализировали по показателям роста и развития стеблей лабораторно-вегетационным методом, а также по динамике биохимического состава растений методом инфракрасной спектроскопии. (Результаты и обсуждение) Установили, что средний коэффициент вариации при посеве колосковой сеялкой контрольных образцов (без обработки) составил 15,5 процента, обработанных поливиниловым спиртом - 11,3 процента и обработанных полилактидом - 9,7 процента. Средний коэффициент вариации при ручном посеве контрольных образцов составил 13,1 процента. На 19-е сутки показатели роста растений из семян колосьев, обработанных ПВС, в сравнении с контролем были выше на 7 процентов, а из обработанных полилактидом снизились на 13 процентов. Биохимический анализ растений из семян колосьев, обработанных поливиниловым спиртом, в сравнении с контролем показал увеличение содержания воды на 19,3 процента, жиров на 42,9 процента, углеводов на 57,2 процента, снижение содержания белков на 21,6 процента. В растениях из семян колосьев, обработанных полилактидом, в сравнении с контрольными содержание жиров увеличилось на 44,5 процента, углеводов на 60,3%, снизилось содержание воды на 59,7 процента и белков на 9,3 процента. (Выводы) Показано, что перспективным решением задачи повышения посевных и урожайных качеств семян в селекции зерновых культур является использование биоразлагаемых материалов из поливинилового спирта и полилактида для капсулирования колосьев. Эта технология способствует снижению коэффициента вариации интервалов между соседними колосьями при высеве, увеличению высоты растений и содержания питательных веществ. Среди исследованных полимерных материалов поливиниловый спирт благодаря своим свойствам наиболее перспективный для применения в селекционных процессах.

Часто на предприятия глубокой переработки поступает короткое льноволокно с повышенной влажностью, которое нужно подсушить до технологических параметров. (Цель исследования) Изучить влияние параметров процесса (скорость, расход агента сушки, нагнетание и разряжение воздуха, температура воздуха в сушильной камере) на продолжительность сушки короткого и однотипного льноволокна. (Материалы и методы) Исследования проводились в новой сушильной установке с рециркуляцией воздуха. Льноволокно предварительно увлажняли до 35-40 процентов и загружали в рабочую камеру. Перед началом сушки и затем каждую минуту волокно взвешивалось для определения потери влаги. Также перед началом процесса и далее каждую минуту измерялась температура воздуха на входе в сушильную камеру, на выходе из нее и в камере смешивания. Опыты проводились при различном сочетании в сушильной камере скорости и расхода поступающего и удаляемого воздуха. Начальная температура агента сушки составляла 70-80 градусов Цельсия, относительная влажность 5 процентов; средняя температура воздуха в цехе 17 градусов Цельсия, степень рециркуляции 1,4. (Результаты и обсуждение) Длительность сушки короткого льноволокна от влажности 30 до 14 процентов составляет 1,3-1,9 минуты. Изменение режима продувки с нагнетания на разрежение существенно не влияет на время сушки; для эффективной сушки следует применять скорость воздуха 8-9 метров в секунду. Температура агента сушки постоянно возрастает, температура отработанного воздуха сначала снижается на 25-28 градусов Цельсия, затем возрастает, а температура смешанного воздуха почти не изменяется. (Выводы) Впервые для изучаемого способа сушки короткого льноволокна в новой установке с рециркуляцией воздуха определены рациональные параметры процесса: длительность 1,3-1,4 минуты, температура агента сушки 75-80 градусов Цельсия, а также оптимальные сочетания расхода и скорости подаваемого и удаляемого воздуха.

Орошение оказывает сильное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур, а в сложных климатических условиях сухостепного Заволжья получение стабильно высокого урожая люцерны без орошения невозможно. Орошение имеет как положительные, так и отрицательные последствия и требует крайне грамотного подхода к использованию орошаемых земель и поливной воды. Для расчета суммарного водопотребления люцерны в условиях сухостепного Заволжья предлагается использование биоклиматических коэффициентов и показатели активности поверхностей почвы. (Цель исследования) Определить суммарное водопотребление люцерны с использованием биоклиматических коэффициентов и величины активной поверхности почвы для повышения эффективности поливных режимов. (Материалы и методы) Проанализировали основные приходные элементы, формирующие объем суммарного водопотребления. Изучили изменение общего водопотребления в зависимости от испарения, относительных запасов продуктивной влаги для определенной фазы развития люцерны, используя экспериментальные данные по водопотреблению этой культуры. (Результаты и обсуждение) Определили значения эмпирических коэффициентов состояния активной поверхности на посевах люцерны в зависимости от суммы среднесуточных температур на основании расчета испаряемости с водной поверхности методом Будыко-Зубенка. Установили, что значения коэффициентов состояния активной поверхности существенно изменяются в процессе развития растений от 0,5 в период отрастания-ветвления до 0,78 при ветвлении-бутонизации и до 0,99-1,0 в период бутонизации-цветения. (Выводы) Экспериментально установили криволинейные зависимости отношения общего водопотребления к испаряемости от относительных запасов продуктивной влаги в различные фазы роста и развития люцерны. Получили эмпирические коэффициенты, для расчета суммарного водопотребления за разные периоды вегетации люцерны при возделывании на темно-каштановых почвах сухостепного Заволжья.

Показали, что до 60 процентов площади горных лугопастбищных участков засорены камнями. Отметили, что освобождение пастбищ от камней способствует увеличению площади кормовых угодий и снижению травматизма животных. Выявили отсутствие малогабаритных агрегатов, способных удалять камни со склоновых территорий. (Цель исследования) Разработать и изготовить лабораторный образец агрегата на базе минитрактора Feng Shou 180 для удаления камней с поверхности склонов. Агрегат предназначен для ускоренного восстановления непригодных для использования в животноводстве горных участков и повышения устойчивости почвы к водной и ветровой эрозии. (Материалы и методы) Обосновали технологию и создали лабораторный образец агрегата для удаления камней. Испытания проводились в горной зоне Республики Северная Осетия-Алания на высоте 1540 метров над уровнем моря. Камни удаляли на участке северного склона крутизной 13 градусов в селе Даргавс. Техническая экспертиза, стендовые и полевые испытания агрегата проведены согласно агротехническим требованиям и техническому заданию. (Результаты и обсуждение) Изготовили лабораторный образец агрегата для удаления камней на базе мини-трактора Feng Shou 180. Установили, что лабораторный образец агрегата соответствует агротехническим требованиям и техническому заданию. Выявили, что происходит удаление камней диаметром более 30 миллиметров на 91-93 процентов, и на первый год после применения агрегата повышается продуктивность кормовых угодий на 90-95 процентов. (Выводы) Применение агрегата на горных склонах позволяет увеличить полезную площадь, улучшить водно-воздушный и питательный режимы, изменить видовой состав растительности (увеличить бобовый компонент до 16,7 процента, злаковый до 47,3 процента). Сделан вывод о целесообразности совершенствования и применения опытного образца на засоренных кормовых угодьях с уклоном до 13 градусов.

Отметили значительный потенциал для внедрения цифровизации в животноводстве. К актуальным направлениям использования цифровых технологий относится замена ручного сбора данных о фенотипе животных, включая линейные показатели экстерьера. В вопросе создание бесконтактной системы цифрового мониторинга экстерьера крупного рогатого скота важным элементом являются камеры, обеспечивающие точное определение расстояния до объекта. Цифровая реконструкция морфометрии тела животных с помощью бесконтактного метода измерения и автоматическое определение размеров могут эффективно решить проблемы с неточностью и субъективностью бонитёров. (Цель исследования) Изучить возможность использования стереокамер для измерения расстояния до объектов с необходимой точностью, а также проанализировать работу системы стереозрения в разных участках кадра. (Материалы и методы) В исследовании использована стереопара из двух расположенных на плате объективов 1/3-Inch CMOS OV4689 на 4 мегапикселя на расстоянии 6,3 сантиметра друг от друга. Ориентиром достаточной точности измерения расстояния принималось достижение погрешности не более 1-2 процентов (1-2 сантиметра) от расстояния до объекта (0,5-1 метра). В качестве испытательного стенда использовался размеченный лист с шагом 25 сантиметров, а сами стереокамеры выполняли съемку стенда на расстоянии от 30 до 100 сантиметров с шагом 10 сантиметров. (Результаты и обсуждение) В двух этапах исследования применялись две конфигурации камер: одиночная стереокамера и единый блок из трех таких камер. Результаты съемки одиночной стереокамеры показали погрешность измерений 5-10 сантиметров на расстоянии 0,3-1 метра до объекта. Для блока из трех стереокамер точность оказалась аналогичной. Определили, что в центре кадра точность выше: средняя ошибка при близких к нулю углах зрения составила 3 сантиметра. (Выводы) Доказали отсутствие влияния количества стереопар на точности и то, что выявленная погрешность - это предел возможностей стереозрения для данных стереопар.

Отметили, что при использовании технологий дистанционного зондирования и алгоритмов глубокого обучения значительно улучшаются возможности диагностики заболеваний растений на основе аэрофотоснимков. Работа посвящена анализу методов глубокого обучения и беспилотных летательных аппаратов для идентификации заболеваний сельскохозяйственных культур. (Цель исследования) Обобщение научных материалов по применению беспилотных летательных аппаратов, технологий дистанционного зондирования и методов глубокого обучения для раннего выявления и прогнозирования заболеваний культурных растений. (Материалы и методы) Представлены различные технологии с применением беспилотных летательных аппаратов и сенсоров для мониторинга состояния растений. Рассмотрены современные средства компьютерного зрения, направленные на повышение точности идентификации патологий растений. (Результаты и обсуждение) Выполнен анализ научных работ с 2010 по 2023 год. Основное внимание уделено сравнению эффективности различных алгоритмов глубокого обучения, таких как свёрточные нейронные сети (CNN), с традиционными методами, включая метод опорных векторов (SVM), и классификаторы случайного леса. Показано, что алгоритмы глубокого обучения обеспечивают более точное и раннее выявление заболеваний, что делает их перспективными для применения в растениеводстве. Обозначили вызовы, связанные с применением беспилотных аппаратов, ограничения, обусловленные качеством данных, сложностью обработки больших объемов изображений и необходимостью разработки более совершенных моделей. Предложены пути преодоления этих проблем, в том числе оптимизация алгоритмов и улучшение методов предварительной обработки данных. (Выводы) Сочетание беспилотных летательных аппаратов и глубокого обучения открывает новые перспективы для повышения эффективности агропроизводства. Такие технологии позволяют точно диагностировать заболевания растений на ранних стадиях и прогнозировать их развитие, чтобы своевременно принимать меры по защите урожая. Интеграция интеллектуальных систем компьютерного зрения и беспилотной авиации является перспективным направлением, способным значительно улучшить методы мониторинга и управления здоровьем растений.

Показали, что одна из основных задач обработки почвы паровых полей в летний период и подготовительных операций предпосевной подготовки почвы заключается в создании наиболее благоприятных условий по сохранению и накоплению влаги внутри слоев почвы. (Цель исследования) В зависимости от типа применяемых рабочих органов для сплошной обработки почвы паровых полей изучить процесс накопление влаги внутри слоев почвы. (Материалы и методы) Проведены исследования в полевых условиях с использованием экспериментального образца парового культиватора с катком шириной захвата 3 метра и стандартного культиватора для сплошной обработки почвы КСОП-4. (Результаты и обсуждение) За период наблюдений в июне-августе подтверждено отсутствие выноса влажных слоев на поверхность почвы (16,42-17,37 процента объемной влажности в слое 5 сантиметров) при использовании экспериментального образца парового культиватора с катком. Установили накопление объемной влажности почвы по слоям (28,40-30,48, 30,18-32,82 и 26,90-29,38 процента соответственно в слое 10, 15 и 20 сантиметров). Для сравнения, при сплошной обработке почвы стандартным культиватором наблюдался вынос влажных слоев на поверхность почвы, накопление объемной влажности уменьшилось (соответственно 18,57-21,57, 14,09-15,58 и 22,75-22,21 в слое 10, 15 и 20 сантиметров). (Выводы) Доказали, что применение рабочих органов для сплошной обработки почвы в летний период позволит создать условия для накопления влаги внутри слоев почвы и осуществлять обработку на небольшую глубину 4-6 сантиметров без выноса влажных слоев на поверхность.

Отметили, что крупные мировые машиностроительные компании работают над созданием сельскохозяйственных роботизированных систем. Особое внимание уделяется разработке универсальных беспилотных мобильных энергетических средств, позволяющих выполнять технологические операции без участия человека. Анализ машин для уборки и приготовления льнотресты выявил недостаточную автоматизацию и роботизацию данных процессов. При уборке льна наименее энергозатратной операцией является оборачивание. Начаты исследования по применению самоходного оборачивателя лент льна на дистанционном управлении с возможностью дальнейшей адаптации под автономную работу. (Цель исследования) Обосновать режимы и разработать силовую электрическую схему самоходного оборачивателя лент льна на электроприводе с дистанционным управлением. (Материалы и методы) Теоретически обосновали линейную скорость движения транспортера по отношению к прямолинейному движению оборачивателя. (Результаты и обсуждения) Определили режимы работы оборачивателя лент льна: угловую скорость транспортера 4,63 радиан в секунду при скорости движения машины 2,78 метров в секунду. На основание веса машины подобраны приводные колеса 7,00-12 Ф-42-1, шины которых обеспечивают отличное сцепление с дорожным покрытием и хорошую маневренность. Индекс нагрузки приводных колес составил 133, наружный диаметр шин 660 миллиметров, ширина профиля без нагрузки не более 195 миллиметров. Спроектирована силовая электрическая схема самоходного оборачивателя лент льна с дистанционным управлением. (Выводы) Определены режимы работы электрифицированного самоходного оборачивателя лент льна на радиоуправлении и предложена электрическая схема, которая позволяет осуществить проектирование узлов и агрегатов машин для приготовления льнотресты.

Оборот пласта остается наиболее распространенным приемом основной обработки почвы. Высокой культуре земледелия в наибольшей степени удовлетворяет так называемая гладкая вспашка без образования свальных гребней и развальных борозд, которая выполняется оборотными плугами. (Цель исследования) Обосновать кинематику пласта при его обороте в собственную борозду без поперечного смещения. (Материалы и методы) При рассмотрении кинематики пласта принимается допущение, что он состоит из связной упругой среды, в процессе оборота в габаритах собственной борозды претерпевает деформации, но не разрушается. Такое допущение вполне корректно, так как известно, что задерненный и влажный пласт вырезается из почвенного массива сплошной неразрывной лентой и, практически сохраняя свои геометрические размеры, оборачивается на 180°. При обосновании траектории пласта применяются классические методы теоретической механики. (Результаты и обсуждения) Рассмотрены уравнения движения точек пласта при его обороте в габаритах собственной борозды. Все точки поперечного сечения пласта в процессе оборота изменяют свое положение в пространстве. Процессы изменений перемещения, скорости и ускорения i-ой точки теоретического пласта происходят по плавным зависимостям, описываемым тригонометрическими функциями. Однако при значении угла поворота ωt = π/2 происходит резкая смена направлений графиков перемещения, скорости и ускорения, что указывает на резко переменные нагрузки, которым подвергается пласт в области этой точки. Объясняется это сменой опорного ребра, относительно которого осуществляется вращение поперечного сечения пласта. Центр тяжести поперечного сечения движется с переменными скоростью и ускорением, что говорит о наличии инерционных сил, на преодоление которых потребуется определенная энергия. (Выводы) Величина затрачиваемой работы во многом будет зависеть от геометрических параметров пласта a, b и режимов его оборота ω. При обороте поперечного сечения пласта на угол ωt = π/2 – γ вертикальное ускорение центральной точки О принимает максимальное значение. В этом положении при определенных условиях возможен отрыв пласта от дна борозды. Исследование кинематики оборота почвенного пласта в собственную борозду позволило обнаружить новые явления, возникающие в процессе его движения и установить закономерности влияния геометрических параметров почвенного пласта на динамические характеристики.