Роботизированное химическое обследование почв: перспективное направление российского АПК

Роботизированные технологии успешно применяются во всех сферах жизнедеятельности человека и аграрная сфера не стала исключением. Сегодня благодаря искусственному интеллекту удается не только проводить уборку плодов и ягод, оценивать степень созревания овощей и фруктов, выполнять прополку, посадку и обработку сельхозкультур, но и отбирать почвенные пробы для проведения химико-биологического анализа в условиях лаборатории. Почему автоматизированная технология отбора почвенных проб сегодня считается перспективным направлением в агрономии, можно ли роботами заменить людей на полях и действительно ли эти агрегаты отличаются эффективностью и производительностью, корреспондентам «ГлавАгроном» рассказал генеральный директор ООО НТЦ «РобоПРОБ» Владимир Елисеев.

Одним из основных принципов технологии точного земледелия является сбор и анализ информации о сельскохозяйственных землях и для получения количественных и качественных показателей применяется дистанционное зондирование. Однако назвать его информативным, не имея в распоряжении данных по содержанию основных элементов питания и микроэлементов в растениях, сложно. Необходимые для агронома сведения, касающиеся состава почвы, получают исключительно посредством наземных обследований. 

На сегодняшний день компания «РобоПРОБ» под руководством Владимира Елисеева является резидентом кластера инновационного центра Сколково. Именно благодаря поддержке Фонда пять лет назад был реализован перспективный проект по созданию агроробота RoboProb.

Благодаря роботизированному комплексу наземные обследования становятся доступными, точными, быстрыми и эффективными. Оборудование позволяет получить полностью объективную информацию о земле, создать все предпосылки для проведения работ, направленных на повышение урожайности сельскохозяйственных культур, оптимизировать систему удобрений и технологии их дозированного применения.

Управление техникой интуитивно простое. Автоматизация позволяет от непрофессионалов получать высоко профессиональные данные. Весь интеллектуальный анализ, построение почвенных карт, расчет доз удобрений делается дистанционно на экспертном уровне.

Преимущества роботизированного агрохимического обследования перед ручным отбором:

1. Высокая производительность: заменяет 5 человек на ручном отборе проб.
2. Полная автоматизация от отбора проб до ее маркировки и упаковки.
3. Гарантированное автоматикой качество отбора почвенных проб.

«Человеческий фактор» при проведении ручного отбора проб никто не отменял. Качество данных наземных обследований, частота отбора почвенных проб и их достоверность остаются невысокими. Информационный сервис RoboProb позволяет аграриям получать научно обоснованные готовые технические решения и расчеты для повседневной работы.

Высокие урожаи достигаются грамотным синтезом возможностей и потенциала почвенного плодородия с системой использования минеральных удобрений. При этом суть цифровых технологий заключается в создании электронного образа местности (поля) в пространстве, каждая точка которого имеет свои индивидуальные координаты, «привязанные» к пространственным координатам на местности.

К каждой точке электронной карты ставятся соответствующие данные по содержанию основных микроэлементов питания, рельефа, экспликации склона и других показателей, участвующих в формировании урожая сельскохозяйственной культуры. С помощью технологий искусственного интеллекта и анализа всех данных, включая погодные, строится имитационная (математическая, программная, информационная) модель роста биомассы данной сельскохозяйственной культуры. На основе этой модели рассчитываются потребности в элементах питания культуры для обеспечения и достижения плановой урожайности и план их закупки. 

Технология роботизированного агрохимического обследования (RoboAgroSur — robotic agrochemical survey) основана на применении цифровых решений на практике и относится к перспективной технологии IoT. Сначала в роботизированный комплекс (агроробот на базе вездехода) RoboProb загружается электронная карта местности с заранее определенными точками пробоотбора.

Roboprob перемещается по полю, по заданному маршруту, по координатам от одной точки отбора к другой. Конструкция шасси позволяет производить отбор почвенных проб по залежи, по стерне, по вспашке и по вегетации сельскохозяйственной культуры. Таким образом, минимизируется влияние «человеческого» фактора, максимально повышается достоверность почвенной пробы при значимом увеличении производительности ее отбора (в десятки раз).

Цифровые технологии расчета доз минеральных удобрений позволяют, с одной стороны, поставить почве «правильный» диагноз, а с другой — назначить правильное «лечение».

Экономический анализ позволяет оптимизировать полученные результаты и выдать рекомендацию: какие удобрения использовать, чтобы платить меньше, а урожай был больше.

Конечно, цифровые обследования почв стоят затрат определенных средств, но после оптимизационных расчетов обходятся фермерам дешевле и заметно экономят деньги на удобрениях уже в первые годы их использования.

В 2019-2020 гг. компания «РобоПРОБ» проводила полевые испытания роботизированных комплексов RoboProb на территории нескольких областей ЮФО, ЦЧО и Поволжья. Агророботы отлично себя проявили в полевых условиях. В среднем выработка на один роботизированный комплекс составила более 100 почвенных проб в день. Каждая почвенная проба получила свои «персональные» координаты. В качестве контроля агроному демонстрировались точки отбора любой почвенной пробы по выбору. Кажется немного фантастичным, но на огромном поле удавалось легко найти несколько небольших отверстий в почве, которые полностью соответствуют плану отбора проб.

• Внутренняя насечка зонда, обеспечивает надежный захват минипробы почвы даже на легких песчаных почвах в условиях недостаточного увлажнения. 
• Поступательно-вращательное движение зонда гарантирует быстрое его проникновение на заданную глубину отбора (цикл отбора 1-й минипробы составляет 8 секунд). 
• Разделения почвенной пробы по горизонтам отбора на 2 части (опционально).
• Гидравлическая защита зонда препятствует его поломке при попадании на камень или иное непреодолимое препятствие. 
• Устройство временного (полевого) хранения почвенных проб обеспечивает высокую производительность пробоотборника RoboProb возможность его работы в автоматическом режиме. 
• Устройство автоматической упаковки и маркировки почвенных проб позволяет автоматизировать этот процесс, исключив ошибки оператора, создает базу для автоматизированной обработки результатов анализов почвенных проб и создания облачного сервиса с функцией контроля за всеми производственными процессами от забора почвенных проб до получения результатов агрохимического обследования.

• Маршруты отбора почвенных проб загружаются по каждому полю. 
• Движение комплекса от точки к точке производится автоматически, оператор в любой момент может взять управление на себя дистанционно или, находясь непосредственно на вездеходе. 
• За счет автоматизации процесса отбора почвенных проб для управления всеми процессами пробоотбора не требуется высокая квалификация: комплекс RoboProb может обслуживать человек с навыками управления смартфоном. 
• Для управления и проведения оценки не требуется наличия агрохимического образования.

Наши специалисты разработали автоматизированную агролабораторию RoboLab. Лаборатория экспресс-анализа RoboLab позволяет в условиях, близких к полевым, получать качественные анализы проб почвы на основные элементы питания: N (нитратный и аммонийный), P, K и кислотность почв.

1. Устройство для временного (полевого) хранения почвенных проб револьверного типа предназначено для хранения отобранных образцов смешанных почвенных проб в поле без перезарядки пробоотборника для увеличения производительности работ.

2. Устройство автоматической упаковки и маркировки почвенных проб наносит на мешочки с почвенными пробами наклейку с информацией о номере пробы, времени отбора и координатах отбора. 

3. Исполнительное устройство пробоотборника предназначено для отбора почвенных проб и может быть смонтировано как прицепной агрегат на любое транспортное средство или смонтирован на платформе роботизированного самоходного устройства.

Данная методика позволяет задешево, в буквальном смысле, на краю поля выполнять почвенные анализы. Важно понимать, что с этой лабораторией может работать обычный лаборант.

Оператор производит пробоподготовку и готовит «вытяжку» из почвы на основе дистиллированной воды. Весь процесс анализа полностью автоматизирован. Для работы с лабораторией достаточно уровня подготовки лаборанта со средним образованием. Производительность лаборатории составляет 50 комплексных анализов в день. Для получения данных по микроэлементам почвенные пробы сдаются в государственные агрохимические лаборатории.

На основе данных анализа почвенных проб и координат точек их отбора строится электронная почвенная карта.

На эту основу накладывается слоями дополнительная информация по почвенным индексам NDVI и др., картограммы водотоков и экспликация склонов. В результате анализа данных производится зонирование поля на уровни плодородия почв. 

Электронная почвенная ISO карта содержит следующую информацию: 

• распределение данных по номерам полей; 
• распределение по зонам плодородия в рамках каждого поля с расчетом дозы удобрений по каждой зоне на заданную урожайность сельскохозяйственной культуры; 
• неокрашенными остались контура пашни однородные по составу, для них также осуществлен расчет доз удобрений в целом по полю.

По данным агронома о севообороте, плановых данных по урожайности сельскохозяйственных культур, наличию минеральных удобрений и возможности их приобретения, также по расчету прогноза урожайности строится карта доз дифференцированного внесения удобрений. Результат выдается в виде SHP файлов для разбрасывателей Amazone и John Deere.

Высокую эффективность роботизированное агрохимическое обследование полей показало при работе с картофелеводами. В Брянской области агророботы работали в ООО «КФХ Пуцко» в двух отделениях. На полях ООО «Совхоз Проводник» (Московская область) почвенные пробы отбирались с элементарного участка 5 га.

Владимир Елисеев отмечает, что заинтересованность технологией роботизированного химического обследования проявляют зарубежные покупатели. На сегодняшний день ведется интенсивная работа по оформлению всех необходимых патентов. Производительность у робота RoboProb порядка 100 проб в день. В Поволжье — это около 2000 га обследований в день. За сезон расчетный объем выработки — 50 000 га.

Цифровые технологии обследования почв открывают дорогу новым эффективным методам ведения сельского хозяйства для регионов России, максимальному использованию природного потенциала плодородия почв. Важно понимать, что технологии агрохимического обследования, созданные в прошлом веке, не могут обеспечить требуемой точности и достоверности, так как они основаны на использовании ручного труда и всецело зависят от «человеческого» фактора.