Нещодавно з’явилося повідомлення про датчики, які, рухаючись, здатні вимірювати вміст вологи в ґрунті. У перспективі такі прилади можуть використовуватися для зміни режимів роботи сільськогосподарських агрегатів в реальному часі або в поєднані з навігаційними системами для побудови карт чи вивчення властивостей ґрунтів. Швидкість переміщення, відбору проб або їх кількість на гектар коливається залежно від інтервалів між проходами датчика під час визначення вмісту вологи у ґрунті. Однак у більшості випадків процес проходить набагато швидше у порівнянні з ручним відбором зразків. Вартість такого аналізу також менша.

Вимірювання властивостей ґрунту

         Коли мова іде про ідеальну систему точного землеробства, аграрії уявляють датчик котрий знаходиться у прямому контакті з ґрунтом або поруч з ним, з’єднаний з «чорним ящиком», який аналізує сигнали, що надходять від сенсора, обробляє інформацію та миттєво змінює норму внесення. Вони також сподіваються, що інформація, яка визначається датчиком в реальному часі, і використання відповідних рекомендацій у майбутньому оптимізують загальний економічний і агрономічний впливи на вихід продукції. Однак такий погляд не враховує деякі труднощі, з якими можна зіткнутися в реальності:

1) Більшість сенсорів і процес контролю аплікаторів потребують певного часу для вимірювання, співставлення отриманої інформації і встановлення відповідного режиму, що знижує максимально допустиму швидкість роботи або частоту вимірювань.

2) Диференційоване застосування добрив або пестицидів потребує додаткової інформації (потенційна врожайність) для розрахунку алгоритму норм внесення

3) На даний момент не існує алгоритму, який би був універсальним для різних умов.

         Використання карт певних відмінностей у межах одного поля є більш результативним порівняно з регулюванням норм внесення у реальному часі безпосередньо під час руху агрегату, оскільки, в першому випадку завжди можна провести детальний аналіз отриманих даних, розробити більш точну послідовність дій та провести внесення в декілька етапів. У такому випадку можна врахувати різноманітну інформацію, включаючи карти врожайності, цифрову модель рельєфу, різні зображення, використовуючи програмне забезпечення для GIS-аналізу, яке призначене для управління і обробки просторових даних. Карти з просторово закріпленими рекомендаціями можна покращувати, використовуючи алгоритми, які можуть одночасно обробляти декілька джерел даних.

Сенсори для автоматичного вимірювання

         Вчені та виробники обладнання постійно намагаються вдосконалити існуючі методи лабораторного аналізу, які б дозволили у результаті непрямих вимірювань створювати ґрунтові карти. На сьогодні досліджено лише декілька типів датчиків, в тому числі:

1) Електромагнітні

2) Оптичні

3) Механічні

4) Електрохімічні

5) Повітряного потоку

6) Акустичні

         Електромагнітні датчики використовують електричний ланцюг для вимірювання потенційної можливості ґрунтових часточок проводити і накопичувати електричний заряд. Під час такого роду аналізу ґрунт стає частиною електромагнітного ланцюга і будь-які локальні зміни умов впливають на сигнал та відразу фіксуються. На ринку є декілька таких датчиків:

1) Відслідковують електричну провідність (Veris® 3100, Veris Technologies, Salina, Kansas)

2) Відслідковують короткотривалу електромагнітну реакцію ґрунту (EM-38,Geonics Limited, Mississauga, Ontario, Canada)

3) Використання електричної реакції ґрунту для регулювання режимів роботи в реальному часі (Soil Doctor® System, Crop Technology, Inc., Bandera, Texas)

         Електромагнітні властивості більшості елементів ґрунту визначаються  його структурою, вмістом солей, органічної речовини та вологості. У деяких випадках такі ґрунтові показники, як вміст залишкових нітратів або рН ґрунтового середовища також можуть бути визначені за допомогою вищевказаних сенсорів. В останні роки практикується декілька способів використання електромагнітних датчиків.

         Оптичні датчики використовують світловідбиваючі властивості ґрунтів. Вони можуть імітувати «людське око» при вивченні властивостей ґрунту та здійснюють вимірювання коефіцієнта відбиття світла у ближньому та середньому інфрачервоному або поляризованому діапазоні спектру. Оптичні датчики, які встановлюються на транспортні засоби, використовують той самий принцип роботи, що і при дистанційному зондуванні. На сьогодні різні постачальники послуг дистанційного зондування властивостей ґрунтів проводять вимірювання коефіцієнта відбиття світла з використанням супутника або літака. Вартість аналізу, хмарність, яка заважає дослідженням, час проведення та велика кількість рослинних решток на поверхні поля є основними проблемами, які обмежують застосування знімків обробленої поверхні поля з допомогою цих платформ.

         Оптичні сенсори на базі транспортних засобів є перспективними під час проведення агротехнічних заходів, подібно до електромагнітних датчиків, і можуть надати більше інформації, оскільки коефіцієнт відбиття світла набагато легше виміряти. Декілька дослідників розробили оптичні сенсори для вимірювання вмісту глини, органічної речовини і вологи.

         Механічні сенсори можуть бути використані для оцінки механічного опору ґрунту (часто є відображенням його щільності). Такі датчики використовують механізм, що проникає або розрізає шар ґрунту, а тензометри або тензодатчики фіксують силу опору. Декілька дослідників вже мають вдосконалені прототипи, які дають можливість проведення неперервного відображення опору ґрунту, однак вони поки що не доступні для продажу. Сенсори тяги (або система регулювання тяги) на тракторах використовують подібну технологію управління три-точковою навіскою під час руху.

         Електромеханічні сенсори могли б забезпечувати найважливішим типом інформації для точного землеробства – вмістом поживних речовин у ґрунті і його кислотністю. Після відправлення ґрунтових зразків до лабораторії, там відбувається комплекс стандартизованих процедур: підготовка зразків і безпосередньо вимірювання. Деякі аналізи (особливо визначення рН) відбуваються з використанням іонселективних електродів (із скляною або полімерною оболонкою, або з іончутливим приймачем). Ці електроди визначають активність певних іонів (нітратів, калію або водню, як у випадку з рН). Декілька дослідників намагаються адаптувати існуючі методики підготовки і вимірювання агрохімічних показників ґрунту для проведення важливих тестів безпосередньо під час руху по полю. Отримані значення можуть бути не такі точні, як при аналізі зразків в лабораторії, але при великій кількості відбору зразків можуть збільшити загальну точність для відображення вмісту поживних речовин і рН.

         Сенсори потоків повітря використовувалися для вимірювання повітропроникності ґрунту під час руху по полю. Тиск, необхідний для стиснення заданого обсягу повітря в ґрунті на певній глибині,  порівнювався з кількома його властивостями. Дослідження підтвердили можливість розподілу ґрунтів за їх типом, вмістом вологи і структурою.

         Акустичні сенсори використовувались для визначення гранулометричного складу ґрунту шляхом вимірювання рівня шуму за рахунок взаємодії ґрунтових часточок з пристроєм. Низький рівень шуму не дозволив даній технології розвиватись далі.

Подальше використання даних датчиків

         Хоча можливість оснащення транспортних засобів різними датчиками знаходиться на стадії розробки, серійно випускається і широко використовуються тільки електромагнітні. В ідеалі аграрії хотіли б працювати з датчиками, які б забезпечували отримання даних для вдосконалення розрахунку існуючих алгоритмів та розробляли комплекс рекомендацій. Однак, доступні в продажі датчики забезпечують вимірювання таких показників як, наприклад, електропровідність, яку не можна відразу безпосередньо використовувати без попереднього опрацювання, оскільки абсолютна величина залежить від ряду фізико-хімічних властивостей ґрунтів  (структура, вміст органічної речовини, засоленість, вологість та інші).

         З іншого боку, електромагнітні сенсори надають цінну інформацію про ґрунтові відміни та їх подібність, що дозволяє розділяти поле на більш дрібні і відносно постійні ділянки, які називають зонами управління. Для прикладу, такі зони можна розділити відповідно до різних типів ґрунтів на полі. Насправді карти електричної провідності можуть краще відображати межі типів ґрунтів, ніж карти їх обстеження. Різні відхилення, такі як еродовані схили пагорбів або особливо затоплені ділянки, можна легко виявити на карті електричної провідності. На рисунку можна побачити порівняння результатів ґрунтового обстеження і карти електричної провідності одного поля, де виявлено певні відмінності.

      Карта врожайності також часто має кореляційний зв’язок з картою електропровідності. В більшості випадків такі відмінності пояснюються за рахунок наявності різних ґрунтових відмін. В загальному  карта електропровідності вказує на ділянки, де необхідне подальше їх вивчення для пояснення відмінностей в урожайності. В обох випадках карта потенційної врожайності поля і вмісту поживних речовин у ґрунті можуть мати розташування меж відмінностей, подібне до меж на карті ґрунтових відмін або вмісту органічних речовин. Ці межі також можуть бути виявлені на карті електричної провідності.

         Тому доцільним буде використання даних, отриманих в результаті електромагнітного визначення властивостей ґрунту під час руху по полі, як одного з джерел інформації для визначення відмінностей. На ділянках з подібною електропровідністю і з відносно стійкою врожайністю будуть застосовуватися однакові режими роботи агрегатів, які можна визначити на основі аналізу вже меншої кількості проб.

         Створення нових сенсорів, які дозволять швидко змінювати режими роботи сільськогосподарських агрегатів в реальному часі дозволить з більшим економічним ефектом їх використовувати, тим самим зменшуючи вплив ґрунтових відмін на урожайність культури.

Висновок

         Для успішного здійснення управлінських рішень необхідні точніші карти ґрунтових властивостей. Невідповідна щільність відбору зразків відповідно до кількості  відмін в межах поля та висока вартість аналізу звичайних ґрунтових проб обмежують можливість точного визначення меж різнорідних за родючістю ділянок. Обладнання автомобіля сенсорами є перспективною альтернативою, яка змогла б підвищити якість і знизити вартість створення ґрунтових карт. Подальше вдосконалення процесу аналізу ґрунту датчиками під час руху дозолить використовувати їх для регулювання режимів роботи агрегатів в реальному часі або для подальшого контролю виробничих витрат. На сьогодні лише системи електромагнітного картографування доступні споживачеві на комерційній основі. Карти,  створені таким способом, можуть бути використані для визначення «зон управління», які відображають відповідні тенденції ґрунтових властивостей. Кожну зону можна окремо дослідити і внести певні поправки в технології вирощування культур. Регулювання режимів роботи агрегатів на невеликих зонах управління стане можливим при розробці і надходження в продаж нових моделей сенсорів.

     Дослідники університету Небраски (США) продовжують працювати над динамічними ґрунтовими сенсорами, які в подальшому можуть використовуватися науковими і комерційними установами. Адже саме такі сенсори підвищать якість та знизять затрати на створення картограм, а також полегшать процес ухвалення рішень.

За матеріалами: cropwatch.unl.edu