К 2050 году население Земли превысит десять миллиардов человек, а глобальное потепление сделает некоторые регионы планеты малопригодными для комфортной жизни. Чтобы прокормить столько людей, необходимо в полтора-два раза увеличить производство сельскохозяйственной продукции. Последние несколько лет работе фермеров помогают не только классическая селекция и современная биотехнология, но и точное земледелие.
Сельское хозяйство будущего, как полагают ученые, должно отвечать нескольким базовым критериям. Среди главных — экологичность, оптимизация урожайности, экономическая эффективность, устойчивость к болезням и вредителям. Это легло в основу концепции так называемого устойчивого земледелия, напоминающей новую «зеленую революцию», когда после Второй мировой войны возникло индустриальное сельское хозяйство.
Изменения в земледелии 1940-1970-х годов связаны с применением пестицидов, селекцией растений, использованием удобрений и ирригации. Новые тенденции — внедрение генно-модифицированнных организмов и цифровых технологий. Именно это позволит прокормить население планеты через несколько десятилетий. Так что же представляет собой точное земледелие?
Основная цель заключается в выявлении неоднородных зон в пределах поля. Это позволяет оптимизировать применение удобрений и средств защиты растений, а также дифференцировать посев сельскохозяйственных культур. Инструментами точного земледелия выступают мониторинг текущего состояния посевов и анализ многолетних данных. Для этого потенциальному фермеру достаточно регулярно выполнять простой алгоритм: загружать информацию о текущей ситуации на поле и следовать рекомендациям, полученным на основе спутниковой съемки, моделирования роста растений и возможного развития их болезней.
Производители устанавливают на сельскохозяйственную технику модули GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС. Сенсоры, собирающие информацию о состоянии посева, — отдельное приспособление (тоже устанавливается модулем). В сборе данных тракторам, комбайнам и сеялкам помогают беспилотники.
Уже сегодня можно на основе учета неоднородностей поля (рельефа, типа почв, освещенности, погоды, количества сорняков и паразитов) вырабатывать рекомендации по уходу за сельскохозяйственными культурами, а также засеиванию и сбору урожая. Вскоре фермеры станут управлять не системами полей, а их частями, например на участках с наиболее низкой плодородностью не применять средства защиты культурных растений.
Спутники способны проводить съемку местности не раз в две недели, как несколько лет назад, а раз в сутки. Информацию о поле фермер загружает в свой аккаунт (на компьютере, планшете или смартфоне), а хранится и обрабатывается она на удаленных серверах. На своих страницах фермер видит прогноз динамики развития сельскохозяйственных культур на каждом из полей и рекомендации по уходу за ними. Программное обеспечение действует на основе компьютерного моделирования и многолетних геопривязанных данных, а также загруженной фермером информации.
Это не только экономит время и силы, но и способствует устойчивости хозяйства: в случае возникновения каких-либо угроз фермер получит предупреждение и сможет минимизировать их негативное воздействие. В конечном итоге повышается качество сельскохозяйственной продукции, урожайность и прибыль фермера.
Фото: Jimmy Smith / Flickr
Технология точного земледелия предполагает использование обширной группировки спутников, способной учитывать многолетние данные (спутник находится на орбите годами) и проводить мониторинг текущего состояния посевов. Все страны с развитой космической отраслью уже применяют спутниковый мониторинг в сельскохозяйственных целях. Различия — в точности проводимых измерений, программном обеспечении и уровне развития инфраструктуры.
Например, в Индии — единственной стране в мире, с первого раза успешно запустившей к Марсу автоматическую станцию, — к тестированию точного земледелия приступили только в 2015 году. Система дифференциальной коррекции GAGAN (GPS — Aided GEO Augmented Navigation) позволяет определять местоположение с точностью до одного метра. США и Европа, а также Россия и Китай продвинулись в этом направлении несколько дальше.
Наиболее полная спутниковая фотосъемка Земли проводится НАСА в рамках программы Landsat. С 1972 по 2013 год в рамках программы было запущено восемь космических аппаратов. Разрешение снимков варьируется в пределах 15-120 метров (в зависимости от диапазона излучения). Современные спутники проводят съемку с разрешением до нескольких десятков сантиметров. Именно такие аппараты особенно важны для точного земледелия будущего.
Фото: Sam Beebe / Flickr
Данные с этих и других спутников используются бизнесом для прогнозирования рисков развития болезней и текущего мониторинга сельскохозяйственных угодий. Некоторые компании предлагают фермерам комплексную систему оценки состояния полей. Среди них — немецкая Bayer. Компания выполняет тестирование комплексного решения на основе программ Zoner и Expert на сотнях полей Франции, Германии, Канады, США и Бразилии. С точным земледелием в специальном подразделении Digital Farming, созданном два года назад, работают более 50 человек. Комплексное решение использует спутники Landsat и Sentinel (принадлежит Европейскому космическому агентству), а также RapidEye калифорнийской компании Planet Labs.
Приложение Zoner необходимо для анализа геопривязанных данных, а Expert предоставляет информацию о развитии болезней и связанных с ними рисках. Обе программы регулярно обновляются. Рекомендации, получаемые фермерами, зависят в том числе и от точности прогноза погоды, который составляется максимум на пять суток. Комплексные решения помогут фермерам правильно определять способ обработки почвы, планировать и осуществлять посев сельскохозяйственных культур, эффективно защищать урожай. Причем конкретные рекомендации можно передавать прямо на соответствующее сельскохозяйственное оборудование.
Рекомендации, выдаваемые в приложениях, оптимизируют расходы на удобрения (до 40 процентов) и средства защиты растений (до 30 процентов), а также повышают урожайность (до десяти процентов). На время испытаний компания подписала с фермерами соглашение о неразглашении данных. Сфера интересов фирмы — Европа, Северная и Южная Америки и Россия. Если компания Bayer купит одного из крупнейших в США производителей гербицидов и семян Monsanto, то станет мировым лидером на рынке агрохимии. Технологии точного земледелия в таком случае приобретут особое значение.
В России также имеются решения для точного земледелия. Как правило, они используют данные американской глобальной навигационной системы GPS, но в дальнейшем планируется перейти на национальную ГЛОНАСС и европейскую Galileo. Пример такой системы — решение ВЕГА-PRO, созданное на основе многолетних разработок Института космических исследований Российской академии наук.