Чому ми переходимо від супутникових знімків до ґрунтових датчиків

Протягом багатьох років я активно займаюся оцінкою та реагуванням на просторову нерівномірність ґрунтових умов, яка найбільше проявляється на врожайності культур. Ця нерівномірність найкраще документується в межах поля за допомогою карт врожайності. Однак однорічний запис врожаю може бути спотворений впливом конкретного року, тому при довгостроковому зборі даних визначається так званий довгостроковий продукційний потенціал ділянки, який усуває вплив погодних умов окремих сезонів.

На жаль, більшість господарств з різних причин не мають історичних карт врожайності, тому в абсолютній більшості випадків для визначення продукційного потенціалу ділянки використовуються супутникові знімки. Супутникові знімки я тривалий час вважав найбільш надійною інформацією про просторову неоднорідність полів. Проте в останні роки — у зв’язку з протиерозійними стратегіями, змінами меж полів (поділ на 10 і 30 га) та поширенням відновлювального землеробства — ми почали стикатися з новими обмеженнями дистанційного зондування.

Рис. 1 Складність визначення продукційного потенціалу через часті зміни меж ділянок.

Продукційний потенціал розраховується на основі аналізу багаторічного ряду супутникових даних і виражається у відсотковому співвідношенні досягнутої продуктивності відносно середнього значення по всій ділянці. Тобто необхідно також враховувати рівень врожайності всієї ділянки (т/га). У нашій платформі SAS Cropwise Operations клієнт має можливість обрати будь-які супутникові знімки з індексом NDVI для розрахунку продукційного потенціалу в необмеженій кількості. Деякі клієнти, наприклад, мають окремо сформовані продукційні потенціали для озимих та ярих культур.

Рис. 2 Супутниковий знімок полів аграрного підприємства у червні 2024 року.

Проте в абсолютній більшості випадків продукційні потенціали ми формуємо в межах клієнтської підтримки SAS Cropwise Operations. Основною причиною є складність у відображенні впливу попередника на змінених межах полів (див. рис. 2 і 3). Не менш важливим є також порівняння вегетаційних індексів з фактичним розвитком рослин і пошук відхилень. До найпоширеніших відхилень належать, наприклад, перезволоження частини ділянки або осередкове забур’янення посівів. Крім того, ми використовуємо менш відомий для аграріїв вегетаційний індекс EVI, з яким маємо кращий досвід та результати.

Рис. 3 Супутниковий знімок полів аграрного підприємства у червні 2023 року.

Формування цифрового ландшафту

Зміна меж полів приносить із собою не лише складнощі у формуванні продукційних потенціалів, але й проблеми з фіксацією слідів виконаних агрооперацій — сільськогосподарська техніка працює на рівні поля та не здатна розрізняти частини земельних блоків і сільськогосподарські ділянки. Водночас утворюються «внутрішні» загінки, а вплив агротехніки призводить до зростання просторової нерівномірності. Ці фактори й привели нас до використання on-the-go сенсорів.

Що таке on-the-go сенсори

On-the-go сенсори встановлюються на техніку або транспортний засіб і опосередковано вимірюють властивості ґрунту під час руху по ділянці. Хоч існує велика кількість типів сенсорів (про них поговоримо наступного разу), найпоширенішими є електричні та електромагнітні сенсори. Для цього типу вимірювань закріпився термін «електрична провідність ґрунту». Це простий і відносно недорогий інструмент для визначення властивостей ґрунту. Вимірювання базується на здатності речовини проводити електричний струм і виражається в одиницях мілізіменсів (мС/м).

Провідність ґрунту виступає індикатором фізичних та хімічних властивостей ґрунту, корелюючи з його текстурою (вміст глини, піску, суглинку), вологістю, ущільненням, вмістом органічної речовини або глибиною ґрунтового профілю. На відміну від продукційного потенціалу, вона не показує продукційний потенціал поля, але характеризує просторову мінливість, яку необхідно визначити.

Рис. 4 З on-the-go сенсорами я працюю в межах багатьох проєктів із 2020 року.

За приблизно 5 років ознайомлення з on-the-go сенсорами я вирішив розширити наші послуги та доповнити їх австрійським сенсором Topsoil Mapper (Geoprospectors), який допоможе нам краще охарактеризувати просторову мінливість полів наших клієнтів.

Що таке Topsoil Mapper

Topsoil Mapper — це активний ґрунтовий сенсор, що працює на принципі вимірювання електричної провідності ґрунту (EC – electrical conductivity). Пристрій зазвичай кріпиться до передньої частини трактора або, як у нашому випадку, до квадроцикла. Сенсор під час руху безперервно реєструє дані з кількох глибинних рівнів. У результаті створюються детальні карти ґрунтової провідності, які корелюють зі структурою ґрунту, вмістом глини, вологістю та іншими фізичними характеристиками.

Рис. 5 Topsoil Mapper ефективно працює протягом усього року в технологіях no-till.

Великою перевагою сенсора Topsoil Mapper є його здатність працювати за майже будь-яких погодних умов і незалежність від наявності рослинності, що ми підтвердили під час вимірювання властивостей ґрунту на фермах, які використовують посів покривних культур. На деяких полях із великою масою відмерлих рослин цей сенсор разом із картами врожайності є єдиною можливістю для визначення просторової неоднорідності ділянки.

Рис. 6 Продукційний потенціал, сформований на основі десятирічного ряду супутникових даних.

Сенсор ми вже презентували приблизно 15 нашим клієнтам, і ми дуже задоволені отриманими результатами. Крім того, ці дані надають нам не лише карту, але й у поєднанні з картами врожайності або продукційним потенціалом відкривають низку запитань щодо взаємозв’язку між врожаєм і провідністю ґрунту.

Рис. 7 Візуалізація очищеної карти врожайності за сезон 2023/2024.

Окрім карти електропровідності ґрунту на чотирьох глибинах, нас також цікавлять шари, що відображають вміст води в ґрунті та ступінь його ущільнення. На жаль, мушу зазначити, що наші очікування в цьому напрямку не справдилися — на частині полів через сильне навантаження на охоронні смуги (наприклад, внесення гноївки) спостерігається інша реакція сенсора порівняно з рештою площі.

Рис. 8 Карта електропровідності ґрунту майже повністю збігається з картою врожайності поля.

Хоча супутникові знімки й надалі залишаються цінним інструментом у сфері дистанційного зондування та моніторингу вегетації, Topsoil Mapper пропонує глибшу та детальнішу інформацію про просторову неоднорідність поля. Я твердо переконаний, що він допоможе нам просунути нашу роботу вперед.

Інтерполяція та робота з отриманими даними

Чи ставили ви собі коли-небудь запитання, де саме починається та закінчується продукційна зона поля? Ми — так. Саме тому після тривалих обговорень ми вирішили обробляти ці дані за вашої участі — ми запитаємо вас, чи відповідають результати вашому уявленню та знанню про поле. Ці дані у вигляді картографічних шарів ми потім завантажимо до системи SAS Cropwise Operations, де ви зможете їх використати для подальшої роботи — наприклад, для створення рецептурних карт для диференційованого внесення або для побудови мережі відбору ґрунтових зразків (докладніше про це читайте тут).

Ми хочемо краще зрозуміти особливості кожної ділянки та взаємозв’язок між врожайністю і властивостями ґрунту, тому найближчим часом доповнимо сенсор пенетрометром і пристроєм для відбору ґрунтових зразків.

Що ви думаєте про сенсор і наш підхід? Чи цікава вам наша робота і технологія, або, можливо, ви хотіли б її протестувати? Напишіть мені.