Большинство сельскохозяйственных земель в России — склоновое, то есть находится под некоторым углом к горизонтальной поверхности. Из-за этого данные земли менее устойчивы перед атмосферными осадками и обрабатывающей техникой. Ученые ищут способы борьбы с эрозией почв на таких территориях. Заведующий кафедрой прикладной механики и графики, доктор технических наук Сергей ВАСИЛЬЕВ из Чувашского государственного университета им. И.Н.Ульянова разрабатывает интеллектуальные технологии и мехатронные системы точного наземного сканирования склоновых земель. Его проект поддержан грантом Президента России. По итогам 2020 года Сергей был назван лучшим молодым ученым Чувашской Республики в области технических наук.
— Склоновыми называют пологие (с углом наклона 2-5 градусов) и покатые (5-10 градусов) земли, — начинает рассказ Васильев. — На таких площадях возникает опасность ускоренной эрозии почв под воздействием водных потоков и ветра.
Вред почвам наносит и техника, прежде всего тяжелая. Ее использование привело к тому, что земля при обработке уплотняется. Разрушаются почвенные агрегаты — небольшие водопрочные комки, в которых идет почвообразовательный процесс. В результате теряется плодородие земель. На склонах это происходит интенсивнее, так как там смывается больше питательных веществ, необходимых сельскохозяйственным растениям.
Но главные проблемы связаны все-таки с водной эрозией. В России под воздействием потоков атмосферных осадков (дождя, снеготаяния) находятся более 45% пахотных склоновых земель, в том числе в Среднем Поволжье — 70-85%. Эрозия вызывает сокращение приемлемых для сельскохозяйственного производства площадей, потерю плодородия и нарушение структурности почвы. Это снижает урожайность культур и приводит к негативным экологическим последствиям.
Поэтому необходим постоянный контроль параметров поверхности почвы: неровностей, комковатости, гребнистости, содержания растительных элементов, уклона. Соответствующие показатели меняются порой довольно сильно на всей территории сельскохозяйственного поля, и они свидетельствуют, в частности, каким образом задерживается сток атмосферных осадков.
— Что собой представляют интеллектуальные технологии, которыми вы занимаетесь?
— В эпоху цифровой экономики технологии земледелия сильно изменились и стали намного точнее. Более того, они продолжают совершенствоваться, причем очень быстро — так, что не всегда удается накопить достаточный опыт их применения. В цифровом землепользовании все активнее применяются подходы, которые позволяют связать технические характеристики мехатронных систем и параметры, характеризующие склоновые сельскохозяйственные земли.
Мехатроника — относительно новое направление, оно объединяет точную механику, электронику, программирование, гидравлику и пневматику. Именно такая синергия нужна для автоматизации различных процессов. Пример мехатронной системы, которую мы используем в быту, — автоматическая стиральная машина.
Определяя точные величины уклона и других параметров склоновых земель, а также то, как они меняются, можно усовершенствовать гидродинамическую характеристику подстилающей поверхности (часть земной поверхности, осуществляющая тепло- и влагообмен с атмосферой). Такое новшество мы впервые предложили в ряде научных работ. Это инструментальный подход, при котором нужно определить режим движения потока воды на различных поверхностях в зависимости от ряда показателей: волнистости, шероховатости, уклона. Отмечу, что большинство известных исследований по определению соответствующих параметров проводилось для ровных и горизонтальных поверхностей, а не склоновых.
Мы разрабатываем интеллектуальные технологии и способы полевого мониторинга, а также мехатронные системы для их реализации, которые необходимы агрономам и мелиораторам для контроля и оценки качества выполняемых операций. К сожалению, в этой области пока нет достаточно научно обоснованных подходов, на которые можно было бы опереться. До сих пор используются измерительные линейки и бороздомеры, в то время как современные технологии обработки почв шагнули вперед. Это серьезная научная проблема.
— Ваши разработки уже где-то нашли применение?
— Интеллектуальные методы, которые мы предлагаем, используются в конструкциях наземных мехатронных средств контроля. Их немного, пока только в опытных экземплярах, они находятся на стадии научно-исследовательских испытаний. Опробовали мы их на сельскохозяйственных территориях Чувашии и Нижегородской области.
Эти технологии способны обеспечить миллиметровую точность измерения параметров профиля поверхности (то есть вид сбоку, в разрезе) почвенного покрова для различных уклонов склоновых земель, с погрешностью до 1%! Мы используем наземное сканирование. Для сравнения: воздушное лазерное сканирование сочетает в себе лучшие черты каждого из известных методов, но обладает при этом суб-дециметровой точностью. А у нас суб-сантиметровая и даже миллиметровая точность измерения высоты, которая достаточна для точной оценки поверхности почвы и почвенных агрегатов.
— Как проходят такие исследования?
— Мы начинаем изучение объекта — исследуемого участка агроландшафта, используя снимки из космоса и наземный мониторинг. Выбираем на агроландшафте учетные площадки. Сначала профилограф (прибор для определения профиля поверхности почвы) устанавливается на поверхности строго вертикально. Электрическое питание для датчиков угла и положения подается от ноутбука через USB-кабель, как для обычного телефона. После запуска компьютерной программы на ноутбуке мы начинаем медленно вращать плечо профилографа вокруг основания.
При каждом обороте лазерный датчик положения сканирует поверхность почвы и передает информацию в электронный блок обработки сигналов. В то же время угловой датчик замеряет положение оси относительно основания и также пересылает мгновенные значения угла поворота в электронный блок обработки сигналов. Таким образом, туда поступают два сигнала одновременно, которые после обработки передаются на ноутбук.
Для автоматизации процесса определения параметров поверхности почвы мы разработали программу, позволяющую непосредственно проводить расчет и выводить информацию на экран монитора. Она выделяет на общем фоне данных средний уклон и волнистость подстилающей поверхности, а также случайно расположенные неровности: шероховатость и технологические борозды.
— Чем ваш метод лучше существующих?
— Он проще известных технологий и точнее. Предварительные результаты уже подтверждают эффективность и перспективность такого способа. В первый год работы над проектом мы опробовали новый способ сканирования — «спиралевидный». Представляем подстилающую поверхность в 3D-виде, выявляем направления склона и обработки почвы сельскохозяйственными машинами, другие параметры. Информация о принятии решений описывается системой переменных, устанавливающих связь между входными и выходными параметрами технологического процесса работы мехатронной системы сканирования.
Хочу приоткрыть планы на второй год. Мы нацелены на реализацию полностью мехатронного профилографа, который уже запатентовали. Он обеспечит получение большинства агротехнических параметров при основной обработке почвы.
Результаты, которые мы планируем получить, можно будет применить при разработке современных, эргономичных, точных методов и наземных мехатронных средств контроля технологий цифрового земледелия. Благодаря им усовершенствуется точное землепользование на склоновых землях, улучшатся подходы в проектировании, эксплуатации и цифровизации мелиоративных технологий на сельскохозяйственных землях, а также в конструировании ландшафтов. Будут созданы роботы и мехатронные средства механизации, которые выведут обработку почв склоновых земель на принципиально новый уровень.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев