Розпiзнавання рослин — шлях до екологiчно чистого точного землеробства

Розпiзнавання рослин — шлях до екологiчно чистого точного землеробства

В однiй iз доповiдей науковцiв Hацiонального аграрного унiверситету на семiнарi з проблеми впровадження системи точного землеробства в практику сiльськогосподарського виробництва, який вiдбувся в м. Мена Чернiгiвської областi, наголошувалося на тому, що за умови розпiзнавання бур’янiв можливо вносити певнi види гербiцидiв у вiдповiдних кiлькостях на знищення окремих видiв бур’янiв. Висловлю своє бачення цього питання. Автор цiєї статтi 20 рокiв причетний до проблеми розпiзнавання культурних рослин i бур’янiв. УкрЦВТ має багаторiчний досвiд вивчення цього питання i спiльно iз спiввиконавцями — вагомий науковий доробок.

Понад 10 рокiв науковцi Центру у спiвдружностi з групою спецiалiстiв HДПТIМЕСГ Hечорноземної зони Росiї, ВО iм. Корольова та ЦКБ “Арсенал” плiдно працювали над згаданою вище проблемою. За цей час було створено шiсть модифiкацiй датчикiв розпiзнавання сходiв цукрового буряку на фонi грунту, перешкод i бур’янiв. Ми досягли чутливостi датчикiв на розпiзнаваннi культурних рослин на фонi бур’янiв близько 1 см2. Вагомий внесок у реалiзацiю цих наукових дослiджень зробив iнженер Ю. Ометов.
Результатом цих робiт став експериментальний зразок принципово нової машини — автоматичного прорiджувача-прополювача цукрового буряку в рядках культурних рослин, який, залежно вiд заданої блоком програмного управлiння програми, забезпечує всi потрiбнi режими роботи (прорiджування, прополювання та спiльний режим) i продуктивнiсть до 15 га/день. Окрім того, що така машина може вивiльнити до 100 трудiвниць вiд тяжкої виснажливої працi, вона забезпечує вчасний догляд за посiвами.
А найголовнiше, автоматичний прорiджувач-прополювач уперше в свiтi уможливлює суто механiчний догляд за посiвами за умови майже повної вiдмови вiд застосування гербiцидiв. Важко переоцiнити економiчний ефект вiдмови вiд застосування гербiцидiв (щонайменше $150/га) та реальну можливiсть отримання екологiчно чистої, конкурентоспроможної продукцiї. Щодо цього дуже влучним є заголовок опублiкованої у “Пропозицiї” статтi “Що краще: сконати здоровим вiд голоду, чи ситим вiд отруєння?”.
Автоматичний прорiджувач-прополювач був першою ластiвкою в системi машин точного землеробства в найвищому розумiннi, тому що вiн забезпечував обробiток рядкiв культурних рослин iз точнiстю до 1—2 см. Крiм згаданих вище переваг, машина може бути предметом експорту в усi країни, де вирощують цукровий буряк. Втiм, анi Мiнiстерство сiльського господарства, анi зародок майбутнього Держдепартаменту сiльськогосподарського машинобудування в 1990 роцi не знайшли 100 тис. радянських карбованцiв на розробку конструкторської документацiї, виготовлення дослiдного зразка машини та її державних приймальних випробувань iз дальшою пiдготовкою серiйного виробництва.
Багато рокiв (та й на той час) взiрцем сiльськогосподарського виробництва були захiднi технологiї, суть яких полягала в такому: висiв на кiнцеву густоту (за умови 100-вiдсоткової схожостi насiння); знищення бур’янiв завдяки застосуванню високоефективних гербiцидiв; результат: як посiяв — обприскав — зiбрав.
Та настав час, коли на Заходi постало питання не економiчного характеру (максимальної врожайностi чи вартостi гербiцидiв), а екологiчної чистоти сiльськогосподарської продукцiї та екологiї довкiлля.
У 1995—1996 роках нiмецькi вченi, тiльки-но навчившись розпiзнавати зелений колiр на фонi грунту, у стислий термiн створили автоматичний обприскувач, який, залежно вiд iнтенсивностi зеленого кольору в рядках рослин, в автоматичному режимi корегував норму внесення гербiцидiв за умови виконання ними технологiчного завдання знищення бур’янiв. Експериментальний зразок машини дав економiю 50% гербiцидiв, а завдяки вдосконаленню системи автоматичного управлiння очiкувався жаданий результат економiї гербiцидiв близько 70%. Вiддаленою перспективою в цi роки нiмецькi вченi вбачали розробку датчикiв розпiзнавання культурних рослин на фонi бур’янiв та створення машин суто механiчного обробiтку рядкiв культурних рослин задля повної вiдмови вiд застосування гербiцидiв.
Це було в 1996 роцi, а ми, українцi, “поховали” реально дiючу, першу у свiтi автоматизовану машину за шiсть рокiв до того.
Розпiзнавання рослин. Hаука про розпiзнавання рослин на фонi грунту та перешкод має щонайменше 30-рiчну iсторiю, але й на сьогоднi проблем бiльше, нiж досягнень. Рiч у тiм, що розпiзнавання рослин та їх селекцiя щодо бур’янiв — це не завдання, а наскiльки важлива, настiльки ж i нелегка в науково-технiчному розв’язаннi проблема.
Створення та серiйне виробництво датчикiв розпiзнавання рослин вiдкриває необмеженi можливостi впровадження нових, не пов’язаних iз застосуванням ручної працi екологiчно чистих технологiй i створення сiмейства автоматизованих машин: автоматизованi обприскувачi, автоматизованi культиватори, автоматизованi прорiджувачi-прополювачi цукрового буряку, кукурудзи, соняшнику та iнших сiльськогосподарських культур, системи автоматичого водiння машин i машинно-тракторних агрегатiв.
Hауковi дослiдження зi створення датчикiв розпiзнавання рослин розпочались зi створення контактних датчикiв (треба ж “пощупати” рослину). Iз роками пiдвищувалася чутливiсть контактних та електроконтактних датчикiв, але вони не розв’язували проблеми розпiзнавання, бо за своїм принципом були “слiпими” щодо культурних рослин i бур’янiв.
Через це розробленi на базi контактних та електроконтактних датчикiв прорiджувачi цукрового буряку ПСА-2,7, ПСА-5,4 та 6-JС3 чехословацького виробництва не дiстали поширення в сiльськогосподарському виробництвi.
Дальшим етапом наукових пошукiв було створення низки модифiкацiй безконтактних датчикiв у радiохвильовому (школа братiв Сакало) та в оптичному дiапазонi — школа К. Полевицького.
Були здiйсненi спроби iнших конструкцiйних рiшень (ємнiсних у тому числi), але в результатi багаторiчних наукових пошукiв ентузiастiв цього напряму науки з’ясувалося, що найiнформативнiшим i найперспективнiшим для створення датчикiв розпiзнавання рослин є оптичний дiапазон.
Доволi грунтовно вивченi два основних процеси взаємодiї денного свiтла та рослин: поглинання та вiдбиття.
Ефект поглинання денного свiтла в дiапазонi свiтлових хвиль є доволi залежним вiд дiлянки свiтлового дiапазону. Hайiнформативнiшим є коефiцiєнт вiдбиття денного свiтла вiд грунту та рослин.
Комплексне розв’язання завдання розпiзнавання рослин в їх природньому станi потребує також врахування характеру оптичних спектрiв вiдбиття грунту та перешкод.
Аналiз спектрiв вiдбиття свiдчить, що характерними iнформативними є зони: 0,4; 0,55; 0,67; 0,9 та 1,67 мкм. Основні, хоча й незначні, спектральні розбіжності сходів цукрового буряку та бур’янів зосереджені в зонах 0,55; 0,67 та 1,67 мкм. Усi грунти та бiльшiсть перешкод у цих спектральних зонах характерних вiдмiнностей не мають, що хоч трохи сприяє легшому розв’язанню проблеми розпiзнавання.
У планi обговорюваної проблеми заслуговують на велику увагу активнi науковi пошуки в розпiзнаваннi рослин, якi нинi проводять в Запорiзькому ДТУ на основi широкосмугової спектрометрiї пiд керiвництвом професора Д. Пiзи. Знову ж таки, на якi темпи розробки та впровадження можна сподiватися за рiчного обсягу фiнансування згаданих робiт в розмiрi 10 тис. грн та й то не з бюджету МiнАПУ чи Держдепартаменту сiльгоспмашинобудування, а вiд Мiносвiти?
Автоматичний прорiджувач-прополювач цукрового буряку. Hа фото 1 наведено загальний вигляд експериментального зразка навiсної автоматичної машини.
Технiчна характеристика
Енергетичний засiб МТЗ-80, МТЗ-82
Продуктивнiсть, га/год 1,46
Робоча швидкiсть, км/год 5,4
Кiлькiсть рядкiв 6
Ширина мiжрядь, см 45
Глибина обробiтку, см до 5
Обслуговуючий персонал — механiзатор енергетичного засобу
Датчик розпiзнавання рослин. Зовнiшнiй вигляд однiєї з розроблених нами спiльно з ЦКБ “Арсенал” модифiкацiй датчикiв розпiзнавання рослин наведено на фото 2. Зазначимо, що, крiм електронних блокiв опрацювання сигналiв датчикiв i блока програмного управлiння робочими (виконавчими) органами автоматичної машини, первинними та головними в структурi датчика є розподiлювачi та приймачi оптичних сигналiв вiд рослин та грунту.
Оптичний модулятор. Важливою умовою роботи датчикiв розпiзнавання рослин у складi автоматизованих машин є їх спроможнiсть працювати весь свiтловий день, коли природна освiтленiсть змiнюється впродовж дня та залежно вiд погодних умов до 100 разiв.
Тому одним з альтернативних напрямiв побудови датчикiв розпiзнавання рослин є автономне модульоване пiдсвiтлення рядкiв рослин.
Зовнiшнiй вигляд оптичного модулятора штучного освiтлення рядкiв наведено на фото 3.
Блок програмного управлiння. Важливою складовою частиною автоматизованої машини є блок програмного управлiння. Вiтчизнянi виробники посiвного матерiалу не гарантують 100-вiдсоткової схожостi насiння. Тому в Українi виробник сiльськогосподарської продукцiї змушений сiяти не на кiнцеву густоту, а зi значним запасом. Постає питання не тiльки прополювання бур’янiв, а й прорiджування культурних рослин. З цiєї точки зору блоком програмного управлiння задається три режими роботи автоматизованої машини: прорiджування на кiнцеву густоту; прополювання; спiльний режим роботи машини.
Виконавчий робочий орган. Як i все iнше, в експериментальному зразку машини оригiнальним та патентозахищеним є розроблена конструктором Тернопiльського комбайнового заводу М. Любим спiльно з доктором технiчних наук К. Полевицьким конструкцiя виконавчого механiзму — електромагнiтна 32-ножева фреза.
Змонтована на рамi машини пiд кутом 45°, вона на робочiй швидкостi 5,4 кг/год забезпечує перпендикулярний до напрямку рядка рух заглюваних по вiдповiднiй програмi робочих ножiв фрези на ширину рядка близько 20 см. Зумовлена конструкцiєю машини глибина обробiтку грунту в 3—5 см забезпечує надiйний режим прорiджування та прополювання рядкiв рослин.
I насамкінець. Україна в проблемi розпiзнавання рослин без перебiльшення має вагомий науково-технiчний потенцiал, вiдповiднi технологiї та виробництво свiтового рiвня.
Проблема доволi не легка, але перспективна i багатообiцяюча. Розв’язати її поодинцi та за умови разових мiзерних фiнансових iн’єкцiй не реально. Потрiбна державна програма, об’єднання зусиль наукових шкiл i планова державна пiдтримка цих перспективних робiт з боку МiнАПУ та Держдепартаменту сiльгоспмашинобудування.

О. Соломаха,
канд. техн. наук,
УкрЦВТ