Тенденции в технологиях орошения — Agritechnica

Д-р Клаус Шпорер, Гогенгеймский университет, Институт сельскохозяйственной инженерии

(DLG). Орошение — это подача дополнительного количества воды на растения, если запасов воды в почве и естественного поступления воды через осадки недостаточно для выращивания сельхозкультур. Хотя это определение может показаться простым, оптимальная реализация сельхозорошения — дело сложное. Потребность в орошении определяется географически различными характеристиками почвы, такими как влагонакопительная способность или агрегатная устойчивость, а также пространственно-временными изменениями погоды. Кроме того, потребность растений в воде меняется в течение отдельных фаз роста и варьируется между различными культурами. Следствием этого является пространственно-временная неоднородность требований к орошению. Задача ирригации заключается в определении оптимального времени полива для каждой культуры, а также в обеспечении правильного уровня орошения и идеальной нормы полива.

Около 100 национальных и международных компаний ирригационной отрасли предлагают в настоящее время оптимальные решения для сельскохозяйственного орошения. Проверенные и новые технологии постоянно комбинируются, тем самым улучшая предложение.

Тенденция к повышению эффективности потребления воды и энергии не ослабевает и становится как никогда актуальной на фоне изменения климата и связанного с этим роста потребности в орошении при одновременном сокращении водных ресурсов. В связи с этим цифровизация играет все более важную роль в ирригации.

Цифровизация орошения

Цифровизация позволяет собирать и быстро обрабатывать большие объемы данных. Вместе с их быстрой передачей, эти данные позволяют подключать и связывать между собой различные сельскохозяйственные машины или системы, что получило название «Сельское хозяйство 4.0». Соответственно, концепцию цифрового орошения можно рассматривать как объединение в сеть систем и компонентов с целью оптимального орошения растений. В зависимости от того, какая технология орошения используется, это также позволяет частично или даже полностью автоматизировать процесс орошения. В этом процессе смартфоны все чаще становятся центральным элементом для пользователей, которые могут не только следить за текущим состоянием полива с помощью соответствующих приложений, но и предупреждать и вмешиваться в случае возникновения проблем, например, или вызывать в режиме реального времени информацию о потребностях растений в поливе.

Искусственный интеллект и орошение

Цифровизация и возможность обработки больших объемов данных являются предпосылками для использования искусственного интеллекта (ИИ). В будущем ИИ будет играть важную роль в ирригации. Уже сегодня ИИ используется для оценки аэрофотоснимков. Для этого алгоритм сначала изучает взаимосвязи между входными переменными и целевой переменной на основе обучающих данных. В дальнейшем алгоритм способен вывести значение целевой переменной из определенной комбинации значений входных переменных на основе этих изученных взаимосвязей. В случае с аэроснимками входными переменными обычно являются световые отражения определенных длин волн или диапазонов длин волн. Целевые переменные могут быть пространственно разрешенной информацией о различных характеристиках растений или о состоянии воды в растениях и, следовательно, о потребности растений в поливе. Однако использование ИИ не ограничивается только оценкой изображений. Данные с датчиков влажности почвы, например, могут быть оценены с помощью ИИ и использованы для определения абсолютных значений влажности почвы. При планировании полива ИИ может оценивать комбинированные данные измерений из различных областей (почва, растения, погода) и выдавать рекомендации по поливу для конкретных мест. В настоящее время использование ИИ все еще остается сферой исследовательских проектов, но первые решения ИИ на основе аэрофотоснимков для ирригации уже доступны на рынке. Следует ожидать, что их количество быстро увеличится после успешного завершения соответствующих исследовательских проектов и последующей монетизации продуктов.

Управление орошением

Повышение эффективности потребления воды и энергии может быть достигнуто только за счет оптимизации управления орошением. Управление орошением объединяет все виды деятельности и функции, необходимые для оптимального орошения. К ним относятся мониторинг сельхозугодий для определения потребности в орошении, планирование мероприятий по орошению, управление орошением, интеграция опций предупреждения в случае ошибок в системе и, что немаловажно, документирование проведенного орошения.

Мониторинг потребности в орошении все еще часто игнорируется или проводится лишь наполовину в сельскохозяйственной практике. Оценка потребности в орошении и уровня полива с помощью измеренных климатических переменных (климатический водный баланс) или регистрация запасов воды в почве с помощью датчиков влажности почвы являются современными методами. Однако ни один из этих двух подходов не подходит для детального определения вышеупомянутой пространственно-временной неоднородной структуры потребности в орошении. Перспективными для достижения этой цели являются подходы на основе изображений с использованием дронов или спутников. Например, уже предлагаются услуги, которые объединяют гидрологическую модель расположения растений со спутниковыми снимками и используют их для получения точных рекомендаций по орошению в 10-метровой сетке. Недостатками спутниковых изображений является принципиальная возможность помех, вызванных облаками или относительно низким пространственным разрешением (размер пикселя) изображений. Благодаря малой высоте полета, изображения, полученные с помощью беспилотников, имеют значительно лучшее разрешение и позволяют идентифицировать отдельные растения или листья. Уже существует множество поставщиков услуг по беспилотной съемке сельскохозяйственных угодий, которые используют различные камеры (в частности, спектральные, инфракрасные и RGB-камеры) в зависимости от конкретного вопроса.

Планирование орошения осуществляется на основе мониторинга. Оно определяет время, уровень и продолжительность орошения и реализуется на поле системой управления орошением. Сложность орошения особенно зависит от размера и количества выделенных частичных зон, которые орошаются равномерно. Следовательно, стационарные ирригационные системы должны быть настроены так, чтобы назначенные частичные участки орошались индивидуально. При мобильном орошении изменение уровня орошения и нормы полива должно быть возможным и во время движения, что уже было реализовано в случае круговых ирригаторов.

Сотрудничество между специализированными областями и производителями

Тенденция к цифровизации и оптимизации управления орошением означает, что пространственно-временная неоднородная структура требований к орошению становится все более совершенной и на ее основе становится возможным оптимальное (точное) орошение. Однако его реализация требует идеального сотрудничества между различными экспертами и специалистами в области полетов беспилотников/спутников, оценки изображений, управления данными и ирригационных технологий. Например, необходимо убедиться, что планирование орошения с помощью беспилотников действительно может быть реализовано на поле. Поскольку одному поставщику или производителю очень сложно охватить все необходимые области специализации, отдельные продукты должны быть совместимы друг с другом. Наблюдения показывают, что открываются или создаются новые интерфейсы с продуктами конкурентов или сторонних поставщиков, или что имеют место другие формы сотрудничества, такие как создание общих стандартов данных, чтобы упростить и гарантировать обмен данными между взаимодополняющими продуктами.

Ирригационные технологии

В настоящее время развитие ирригации и инновации явно сосредоточены на цифровизации и оптимизации управления орошением. И наоборот, фокус сместился с ирригационных технологий, где инновации ограничиваются в основном улучшением существующих продуктов. Фундаментальных технических инноваций в последние годы было мало.

Ни одно орошение невозможно без ирригационных технологий. Шланги позволяют транспортировать воду к полям и на поля, системы управления контролируют поток воды, а сама вода подается на поля с помощью дождевателей, форсунок или линий капельного орошения с использованием стационарных или мобильных систем и машин.

За разработками и инновациями в области цифровизации последуют разработки по адаптации технологии орошения таким образом, чтобы имеющаяся сегодня информация с высоким пространственным разрешением могла быть реализована в виде точного внесения воды. Поэтому все большее значение будут приобретать решения для локально изменяемого внесения воды, такие как представленная на AGRITECHNICA гидравлическая телескопическая стрела для ирригатора для однородного орошения неровных участков. В будущем появятся и другие инновации, направленные на снижение потерь от испарения и предотвращение просачивания воды при орошении.

Для соответствующих проектов прикладных исследований и разработок по-прежнему доступны различные программы финансирования, в рамках которых компании из ирригационной отрасли также могут разрабатывать и реализовывать инновационные идеи совместно с соответствующими научно-исследовательскими институтами.