BEETSOIL — система підтримки прийняття рішень для прогнозування впливу ґрунтових умов на збирання цукрових буряків (частина 1)

 

У Великобританії цукрові буряки збирають восени та взимку, коли вологість ґрунту зазвичай близька до природної вологоємності поля. У поєднанні з важкою технікою це може призвести до серйозних екологічних проблем, таких як порушення верхнього шару ґрунту, ущільнення та ерозії ґрунту. BEETSOIL — це система підтримки прийняття рішень (СППР), розроблена для планування бурякозбиральної кампанії з визначенням ґрунтових умов, відповідних для збирання врожаю для мінімізації пошкодження ґрунту. Основою системи BEETSOIL є модель водного балансу ґрунту, яка, використовуючи вибране користувачем джерело опадів, передбачає вміст води в ґрунті у визначеному періоді прогнозування. Цей вміст ґрунтової води використовується для щоденного прогнозування прохідності техніки, осаду (рівня занурення) коліс, липкості та втрат ґрунту внаслідок збиральних робіт. Модуль водного балансу ґрунту перевірявся за допомогою виміряного вмісту ґрунтової води на трьох польових ділянках з глинистими, мулистими та піщаними ґрунтами та показав середньоквадратичну похибку 0,91%, 0,96% та 0,52% відповідно. Точність модулів прохідності BEETSOIL була перевірена за декількома сценаріями з використанням різного початкового вмісту ґрунтової води на початку збиральної кампанії, у поєднанні з кількістю опадів, які імітують вологі, нормальні (оптимальні) та посушливі умови протягом усього періоду збирання врожаю. Аналіз сценаріїв показав, що модуль прохідності дуже чутливий до змін текстури ґрунту, початкового вмісту ґрунтової води моделювання та кількості опадів. Ця інформація може бути використана для визначення придатності нових районів для вирощування цукрових буряків, де період, протягом якого через поля проходить важка сільськогосподарська техніка (ефективність збирання), може передбачатися за різними сценаріями, а отже, вказує на будь-які достовірні труднощі у збиранні врожаю. Вихідні дані моделювання рівня занурення коліс, прохідності техніки та втрат ґрунту під час збирання ще не були підтверджені, але перші результати вказують на те, як можна використовувати СППР на всій посівній площі для планування операцій зі збирання врожаю у розрізі цільових ділянок для найбільш ефективного збирання.

За матеріалами статті на тему «BEETSOIL: інструмент підтримки прийняття рішень для прогнозування впливу ґрунтових умов на збирання цукрових буряків» («BEETSOIL: a decision support tool for forecasting the impact of soil conditions on sugar beet harvest») міжнародного журналу «Soil & Tillage Research» («Дослідження ґрунту та його обробітку»), 191 (2019).

У Великобританії пізні культури, такі як цукровий буряк, мають значний вплив на ґрунтові умови під час збирання врожаю, викликаючи ущільнення ґрунту та впливаючи на врожайність наступних культур у сівозміні. Збирання буряків проводиться у період із жовтня по лютий (збиральна кампанія), коли кількість опадів зазвичай перевищує евапотранспірацію, а рівень вологості ґрунту, як наслідок, високий. У той же час через збільшення необхідності вдосконалення виробництва та зменшення витрат індустріалізація сільського господарства Великобританії призвела до широкого використання важкої техніки для виконання різноманітних сільськогосподарських операцій. Бурякозбиральні комбайни можуть важити до 35 т без навантаження та 65 т при повному навантаженні. Тиск, викликаний цим навантаженням на поверхню ґрунту, призводить до ущільнення верхнього шару ґрунту. Існує три основні проблеми збиранням врожаю у вологих умовах: 1) ущільнення ґрунту, 2) обмежений доступ техніки до полів через погану прохідність та 3) налипання ґрунту на коренеплоди.

Ущільнення ґрунту визначається як "процес, за допомогою якого частинки ґрунту впорядковуються для їх зближення між собою та зменшення пористості, тим самим збільшуючи насипну щільність". Основними факторами, що впливають на ущільнення ґрунту, є характеристики техніки (навантаження транспортного засобу, конфігурація коліс та характеристики шин) та ґрунту (текстура, стан поверхні ґрунту, органічний вуглець, структура ґрунту та вміст води). Ущільнення ґрунту є важливою проблемою глибокої оранки, основними його ефектами є зменшення просочування вологи, що викликає підтоплення та ерозію, обмеження вкорінення, пов’язані зі скороченням врожайності.

На додаток до проблеми з ущільненням, основною проблемою переробки та виробництва буряків є умови верхнього шару ґрунту, які можуть ускладнювати проходження техніки по землі для ефективного збирання врожаю. Прохідність техніки — це можливість техніки їздити по землі без надмірного заглиблення коліс (колії глибиною < 5 см), пробуксовки або налипання ґрунту до шин. Погіршення прохідності може суттєво збільшити виробничі витрати фермерських господарств за рахунок збільшення необхідної сили тяги, а також викликати операційні проблеми при ефективному плануванні кампанії. У деякі роки умови верхнього шару ґрунту є непрохідними під час збиральної кампанії, ускладнюється збирання та переривається надходження буряків на переробні заводи. У крайніх випадках це може призводити до зупинки заводу у розпал кампанії, що спричиняє великі втрати для галузі.

У вологих умовах ґрунт із більшим вмістом глини прилипає до буряків і разом із ними надходить на переробку. У сезоні 2016/2017 МР на чотирьох британських заводах було вилучено 334 172 т налиплої землі на коренях, що дорівнювало 4,2 мг га-1. Насамперед це — екологічна проблема. По-друге, це — операційна проблема, оскільки перед переробкою буряк потрібно очистити, а надлишки землі утилізувати.

Щоб мінімізувати ці згубні наслідки, сільськогосподарські операції повинні бути ретельно сплановані. Системи підтримки прийняття рішень (СППР) є важливими інструментами в сільськогосподарському плануванні, оскільки вони допомагають користувачам приймати ефективні рішення, проводячи послідовні етапи або сценарії та показуючи результати різних шляхів прийняття рішень. Існує багато СППР для прогнозування ущільнення та прохідності, а також видалення ґрунту шляхом збирання врожаю. На сьогоднішній день ущільнення ґрунту є найбільш вивченим аспектом, існує безліч інструментів для визначення та оцінки ризиків. Terranimo прогнозує ризик ущільнення ґрунту з різними механізмами та ґрунтовими умовами. Вона використовує стрес перед ущільненням для визначення опірності ґрунту, яка порівнюється зі стресом, викликаним транспортним засобом через профіль ґрунту. Модель SoilFlex передбачає поширення стресу та зміни питомої маси ґрунту. Стрес перед ущільненням також використовувався як критерій для визначення ризику ущільнення ґрунту в інших методах оцінки ризику, розроблених у Швеції та Німеччині. Що стосується прохідності техніки, Одслей опублікував модель вибору оптимальної техніки для оранки та рядкового посіву з точки зору витрат. Дана модель визначала найкращий трактор для використання з урахуванням ґрунтово-кліматичних характеристик площі, але не давала щоденних рекомендацій щодо можливості проведення операцій.

Незважаючи на те, що існує багато СППР у сільському господарстві, наскільки нам відомо, немає таких, які б інтегрували проблеми зі збиранням цукрових буряків із точки зору ґрунтових умов, включаючи прогноз прохідності та налипання землі на коренеплоди. Тому, основною метою цієї роботи було розробити СППР для планування операцій зі збирання цукрових буряків з урахуванням умов прохідності та липкості ґрунту. СППР (BEETSOIL) призначена для роботи як стратегічний, а не оперативний інструмент у регіональному масштабі, щоб визначити, коли і де можна починати збирати цукрові буряки. Тому її можна використовувати, щоб мінімізувати проблеми прохідності та пошкодження ґрунту на основі прогнозу ґрунтових умов щотижня або щомісяця. У Великобританії основні бурякосіючі регіони включають Східну та Центральну Англію і в 2017 році загальна посівна площа складала більше 100 тис. га. СППР була розроблена як стратегічний інструмент для галузі переробки цукрових буряків для визначення залежності збиральних робіт у різних районах від погодних умов (наприклад, для нормального, вологого та посушливого років), наприклад, для пошуку нових регіонів для вирощування цукрових буряків.

Загальні характеристики СППР

Загальна структура

BEETSOIL — це система підтримки прийняття рішень (СППР), яка враховує погоду, властивості ґрунту та транспортних засобів для планування бурякозбиральної кампанії, оцінюючи зміни прохідності техніки та втрати ґрунту у визначеному вікні прогнозування. СППР включає шість модулів, які: І) вимагають, щоб користувач вибрав параметри введення; ІІ) визначають добову кількість опадів; ІІІ) визначають щоденний вміст води в ґрунті, використовуючи модель водного балансу ґрунту; ІV) порівнюють тиск транспортного засобу з опірністю ґрунту, щоб визначити прохідність техніки та V) рівень заглиблення транспортного засобу; VI) розраховують показник консистенції та втрати ґрунту внаслідок збирання врожаю.

Початкові умови та вхідні дані моделі

Запуск СППР вимагає від користувача вибрати режим, в якому BEETSOIL буде працювати, комплектацію техніки, файл параметрів ґрунту, який використовуватиметься для моделювання, та початковий вміст води в ґрунті. Різниця між трьома режимами полягає в інтервалі передбачення, походженні кількості опадів та форматі результатів. Три режими:

  1. Прогноз: СППР оцінює результати у короткостроковій перспективі (щодня до 28 днів, залежно від наявного прогнозу погоди) відповідно до прогнозованих опадів. Модуль прогнозу погоди обробляє 300 варіацій опадів, що дозволяє отримати найбільш імовірний результат.
  2. Довгостроковий період: здійснюється прогноз на всю збиральну кампанію (до 151 дня) з урахуванням середньої історичної кількості опадів. Використання 1000 варіацій опадів, які статистично ідентичні довгостроковій середній кількості опадів, що також дозволяє отримати імовірні результати в цьому режимі.
  3. Вхідні дані по опадам: добова кількість опадів та відповідний інтервал прогнозування визначаються користувачем. Враховуючи, що модель працює з реалізацією одиничних даних по опадам, результати в цьому режимі є детермінованими.

СППР дозволяє вибрати між 4 різними машинами, включаючи 2-осьові та 3-осьові бурякозбиральні комбайни та трактори, а також комбінації причепів двох різних розмірів. Вони були відібрані після огляду найпоширеніших машин, що використовуються для збирання врожаю цукрових буряків у Великобританії. Із цього списку користувач може вибрати відповідну комбінацію трактора та причепа. Для подальшого вдосконалення моделі можна було б змінити ці специфікації, але такий рівень деталізації не був необхідним на даному етапі розробки. Вибір користувачем типу техніки та ґрунту визначає вибір ряду властивостей ґрунту, машини та погодних характеристик, які використовуються в модулях СППР, що передбачають прохідність, глибину занурення коліс та липкість ґрунту. Для обґрунтування вибору цих одиниць треба було вказати, як можна перевести СППР у масштаб цілого регіону вирощування цукрових буряків, пов’язавши дані вхідних параметрів ґрунту з основними одиницями картографування ґрунту на національній карті ґрунтів. Таким чином, результати моделі залежать від масштабу наявних даних про ґрунт. Було відібрано репрезентативне поле в межах кожної одиниці картографування та встановлено дві пари тензіометрів на глибині 15 см та 35 см. Тензіометри визначали початкові умови ґрунтової води в режимі реального часу для моделювання. У подальших розробках моделі очікується, що початковий вміст води в ґрунті може бути забезпечений супутниковими даними або іншими наявними даними, зібраними з місцевих метеостанцій. Для наочності представляємо результати 3 ґрунтових одиниць, які мають найбільше просторове охоплення та включають широку різноманітність ґрунтів даного регіону.

Прогноз погоди

Прогноз погоди виконується лише тоді, коли BEETSOIL працює в режимі прогнозу і використовує два файли прогнозу погоди, щоб визначити щоденну кількість опадів протягом періоду до 28 днів.

Щоденна кількість опадів за перший тиждень прогнозування визначається на основі 6-денного місцевого прогнозу, що враховує місцезнаходження поля, отриманого від метеорологічних служб Великобританії. Прогноз включає діапазон опадів (у мм) та відповідну їх ймовірність для кожного дня. Із цього прогнозу модель обробляє 300 варіацій опадів, які є вхідними даними водного балансу.

Щоденні опади на 2-4 тижні прогнозуються на основі щомісячного прогнозу метеорологічних служб. Він складається з регіонального прогнозу (наприклад, Східної Англії) загальної кількості щотижневих опадів (у мм) на тиждень 2 та на тижні 3 + 4 із вказівками про те, що вони знаходяться «значно нижче», «нижче», «на», «вище» або «значно вище середнього рівня» (Таблиця 2). Наступні процедури були застосовані для перетворення щомісячного прогнозу в щоденний прогноз опадів на тижні 2, 3 та 4. BEETSOIL включає базу даних, що містить 1000 щорічних реалізацій опадів щонайменше для одного місця в регіоні. Ці реалізації отримуються з використанням генератора погоди LARS та генеруються на основі довгострокових (принаймні 25 років) щоденних даних та є статистично ідентичними спостережуваним даним. Модель відбирає 300 реалізацій, які мають найближчі щотижневі норми опадів (евклідова відстань) до прогнозу погоди, і визначає ймовірність залежно від того, де випадають опади в обидва періоди — тиждень 2 та тижні 3 + 4 (Таблиця 2).

Таблиця 1. Формат прогнозу погоди на 1 тиждень у режимі прогнозування СППР. Rmi та RMi — межі очікуваного діапазону опадів, а Probi — ймовірність опадів дня i.

Таблиця 2. Формат прогнозу погоди на 2 та 3 + 4 тижні. Ri — очікувана кількість опадів, а Pi — ймовірність опадів, що знаходяться в таких діапазонах: wba (значно нижче середнього), ba (нижче середнього), a (середнє), aa (вище середнього), waa (значно вище середнього).

Для довгострокового режиму модель використовувала 1000 реалізацій опадів, сформованих з історичних наборів даних за допомогою генератора погоди LARS. За відсутності прогнозних даних цей режим забезпечує користувачеві індикацію погоди протягом кампанії на основі довгострокових даних. Цей режим використовується як стратегічний інструмент для оцінки та тестування таких сценаріїв, як визначення прохідності техніки протягом всієї збиральної кампанії на основі історичних даних та для виявлення будь-яких потенційних проблем прохідності техніки у нових районах. Для режиму вхідних даних по опадам користувач вводить один набір даних, який представляє щоденні щорічні дані по опадам, наприклад, коли є доступ до даних місцевої метеостанції.

Водний баланс

Модифікована версія моделі водного балансу WaSim була інтегрована в BEETSOIL. Це одновимірна щоденна модель водного балансу ґрунту, що імітує накопичення ґрунтової води та швидкість надходження (інфільтрації) та виходу (евапотранспірацію та дренаж) води у відповідь на погодні умови, зрошення та фільтрацію з каналів. Вода накопичується максимум у п’яти шарах — між поверхнею (верхня межа) та непроникним шаром (нижня межа), межі яких встановлюються на рівні 0,15 м, глибині кореня, водного шару та стоку. Як стік води, так і дренажна система можуть бути вилучені зі схеми, тому вона спрощена до трьох шарів.

Прохідність техніки

BEETSOIL визначає прохідність, порівнюючи опірність ґрунту, представлену індексом міцності за методом конуса (CI) з тиском техніки, представленим середнім максимальним тиском (MMP).

Місцеві калібрування були розроблені для вмісту ґрунтової води (SWC) та індексу міцності за методом конуса (CI) з використанням тензіометрів, що представляють спектр текстур ґрунту у виробничому регіоні (Таблиця 3). Кожну ділянку обстежували сім разів протягом вегетаційного періоду (від посівної в березні до початку збирання пізньої осені), щоб врахувати різноманітні умови вологості ґрунту. На кожному полі проводилося по десять вимірювань CI за принципом випадкового відбору з використанням цифрового пенетрологеру (Eijkelkamp). Критична глибина для прохідності та занурення коліс становить від 15 до 30 см, тому середній CI в цьому діапазоні був відкалібрований щодо середнього вмісту води в ґрунті відповідної доби. Середнє значення вимірювань SWC при 15 та 35 см, визначене на одному полі, було використано для розробки калібрувань для кожного типу ґрунту (Таблиця 4). Стандартне відхилення (SD) десяти вимірювань CI становило від 0,11 до 0,66 МПа на глинистому ґрунті, 0,12-0,54 МПа на мулистому ґрунті та 0,25-0,66 МПа на піщаному ґрунті. Таким чином, похибка оцінки моделі не була більшою, ніж мінливість властивостей поля.

Рис. 1. Схема модифікованої моделі WASIM, інтегрована в BEETSOIL. Сині стрілки представляють потоки води, а пунктирні лінії межі між шарами ґрунту.

Таблиця 3. Властивості ґрунту трьох польових ділянок. Ρ — суха об'ємна маса; OC — органічний вуглець; Cf — грубі уламки.

Таблиця 4. Параметри, значення та коефіцієнти коригування калібрувальних рівнянь для індексу міцності за методом конуса із використанням вмісту води в ґрунті як предиктора. Зв'язок значний, якщо р-значення < 0,05. R2 — коефіцієнт регресії; RMSE — середня квадратична похибка.

Як правило, збирання цукрових буряків проводиться за допомогою збирального комбайна, який має ряд тракторних та причіпних транспортних засобів, що вивозять зібраний врожай з поля до кагатів (місце для тимчасового зберігання коренеплодів на окраїні поля). Під час збирання комбайн зазвичай проходить через одну і ту ж саму площу не більше п'яти разів, однак причіпні трактори та причепи можуть проходити через місця доступу до полів до 50 разів. Таким чином, були визначені різні пороги опірності ґрунту відповідно до типу транспортного засобу та ділянки поля (Таблиця 5).

Ці порогові значення були обрані в якості початкової точки для представлення ймовірних сценаріїв руху транспорту на основі розподілу опадів. Ці гіпотетичні пороги враховують різницю в частоті між багатьма слабкими опадами, які, швидше за все, не викличуть проблем із прохідністю, порівняно з меншою кількістю сильних опадів, які, швидше за все, зроблять польові умови несприятливими для роботи техніки. У режимі вхідних даних по опадам результати є детермінованими, для кожного транспортного засобу та ділянки поля були визначені порогові рівні опірності ґрунту, які характеризуються як придатний, граничний та непридатний регіон для прохідності техніки (Таблиця 6). Різні ділянки поля також матимуть різницю в кількості проїздів техніки.

Таблиця 5. Кількість проходів техніки та порогові значення індексу міцності за методом конуса (CI) для прохідності техніки в режимі прогнозу та довгострокового періоду. MMP — середній максимальний тиск.

Таблиця 6. Кількість проходів техніки та порогові значення індексу міцності за методом конуса (CI) для прохідності техніки в режимі вхідних даних по опадам, MMP — середній максимальний тиск, H&A — окраїни поля та доступ.


1503