Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка инструментальной оценки технологических рисков снижения урожая сельскохозяйственных культур с применением разрабатываемого оптико-электронного комплекса недеструктивной диагностики вегетативного состояния растений
НТТМ-2017-1086 | Категория II

Автор:

Введенская Анастасия Валентиновна

Гаджикурбанов Анвар Шихрагимович

Научный руководитель:
Хорохоров Алексей Михайлович
Организация:
ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», Аграрно-технологический институт ФГАОУ ВО «РУДН»,
Москва
Цель работы
Полноценность рациона питания и повышение уровня обеспеченности населения сельскохозяйственной продукцией - важная государственная задача, от решения которой зависит здоровье и продолжительность жизни нынешнего и будущих поколений граждан Российской Федерации. Например, фрукты и овощи являются важнейшим элементом питания человека. Обладая лечебными свойствами, они являются основой диетического питания, источником биологически активных веществ и антиоксидантов, используются для создания продуктов функционального действия, что определяет особенно строгие требования к экологической безопасности овощной продукции.
2017 год объявлен в Российской Федерации годом экологии, поэтому еще более актуальным становится поиск путей снижения отрицательного воздействия загрязнения окружающей среды, как на растения, так и на человека. Внесение ненормированных избыточных доз удобрений загрязняет окружающую среду, ухудшает качество сельскохозяйственной продукции и оказывает негативное влияние на здоровье человека.
Целью работы являлась разработка системы наблюдения за оптимальным ростом и развитием сельскохозяйственных культур, в том числе, отечественных сортов, по обеспеченности азотом растений с использованием разрабатываемого оптико-электронного комплекса недеструктивной диагностики стрессовых состояний для прогнозирования и снижения рисков потери урожая в результате наступления абиотического стресса.
Обзор предметной области
В течение периода вегетации растения подвержены многочисленным стрессам, которые порой серьезно сказываются на их продуктивности. К таким неблагоприятным воздействиям можно отнести как низкие, так и высокие температуры, недостаток влаги, засуху, а также влияние фитопатогенов, ультрафиолетовой радиации и пр. Даже применение химических препаратов не обходится без стресса для культурных растений.
Диагностировать раннее наступление стресса возможно с помощью оптических технологий, и как следствие предотвратить потери урожаев сельскохозяйственных культур.
В последние годы во многих странах с развитым сельским хозяйством большое внимание уделяется диагностике состояния растительности на основе физических методов диагностики в отличие от ранее применяемых химических методов стеблевой и листовой диагностики, имеющих ряд недостатков. Особенный интерес для точного земледелия представляют технологии бесконтактной диагностики азотобеспеченности на основе оптических спектрометрических методов, позволяющие не только понизить расходы на дорогостоящие действующие вещества, повысить эффективность внесения и уменьшить нагрузку на окружающую среду, но и позволит провести качественную диагностику раннего наступления стрессовых состояний сельскохозяйственных посевов и принять меры от негативного природно-климатического воздействия.
В нашей стране до сих пор недеструктивные методы анализа листовой пластины такого рода не нашли широкого практического применения. Это объясняется, во-первых, тем, что уникальность спектров отражения для каждого отдельного сорта растения исключает возможность успешных измерений сортов отечественной селекции дорогостоящими устройствами иностранного производства, спроектированными с учетом особенностей зарубежных сортов. Кроме того, закрытые алгоритмы обработки зарубежных приборов не позволяют проводить их калибровку под сорта и гибриды растений отечественной селекции и под азотные удобрения отечественного производства. Однако возрастающие требования к оптимизации азотного питания и своевременного предотвращения ущерба от потерь урожая основных сельскохозяйственных культур, обусловленные экономическими и экологическими факторами, ставят разработку отечественных оптических методов диагностики и создания соответствующего аппаратного обеспечения в ряд актуальных вопросов современного земледелия.
Существует ряд научных работ в России и за рубежом, показывающих, что информация о спектральной отражательной способности растительности позволяет проводить идентификацию азотообеспеченности растений. На этом принципе основана работа большинства датчиков азота иностранного производства (N-sensor, Норвегия; Green Seeker, США; CropSpec, Япония; Fritzmeier ISARIA, Германия). Однако они не могут применяться в отечественной системе точного земледелия из-за закрытых алгоритмов вычислений, не позволяющие проводить калибровку под отечественные сорта и гибриды растений и под азотные удобрения отечественного производства.
Информацию о спектральной отражательной способности могут нести лабораторные спектрофотометры типа LAMBDA 850 UV/Vis Spectrophotometer, но они не обладают необходимой мобильностью и устойчивостью к вибрациям и не имеют встроенных алгоритмов обработки оптического сигнала. С оптической информацией могут работать портативные спектрометры типа молекулярного сканера SCiO, но они не удовлетворяют требованиям проекта, так как не подходят для работы с большим количеством исследуемого материала, т.е. не применим в масштабах поля, и использования в движении.
Наиболее рациональной схемой выполнения прибора представляется перевозимое оптико-электронное устройство отечественного производство, работающее на основе метода недеструктивной диагностики состояния азотообеспечнности растений по спектральной отражательной способности. Алгоритмы спектрального анализа пигментного состава растений в режиме реального времени должны быть созданы специально для сортов отечественной селекции и азотных удобрений отечественных производителей.
С учетом теории оптико-электронных систем, основ физической оптики и прикладной оптики, можно заключить, что предпочтительной оптической системой для рассматриваемой задачи является гиперспектрометр с призменным диспергирующим элементов, активного типа, с матричным приемником излучения.
Обоснование общего метода спектрального анализа пигментного состава фотосинтезирующего аппарата растительности можно осуществить с применением теории вегетативных индексов.
Концепция оптико-электронной системы была представлена в качестве конкурсной работы по программе «УМНИК 2017», которая по результатам одержала победу.
Описание результатов проекта
На основе данных, полученных в ходе работы оптико-электронной системы прибора, проводится диагностика состояния сельскохозяйственных культур, в результате чего подбираются оптимальные мероприятия по сокращению потерь от абиотических и биотических стрессовых факторов (Приложение 1).
В ходе работы над проектом был обоснован общий метод спектрального анализа пигментного состава фотосинтезирующего аппарата растительности. Установлено соответствие концентрации минерального вещества в растении пигментному составу фотосинтезирующего аппарата растительности. Выявлен характер связи между состоянием азотообеспеченности растения, видом спектральных кривых отражения и значением основного вегетативного индекса обосновываемого метода – NDVI. Экспериментально получена зависимость спектральных показателей отражения фотосинтезирующего аппарата растительности от концентраций азотных удобрений в почве для выбранного вида растений. В ходе экспериментальных исследований подтверждены теоретические положения о возможности применения оптического недеструктивного метода для определения азотообеспеченности растения (Приложение 2).
Для реализации предложенного метода была разработана оптико-электронная система мониторинга на основе спектрального анализа пигментного состава растений сортов отечественной селекции. 3D-модели внешнего вида (рисунок 1) и внутреннего устройства (рисунок 2) приведены в приложениях.
В процессе разработки был выработан общий алгоритм работы устройства: оптико-электронная система мониторинга будет устанавливаться на кабину трактора и в режиме реального времени при движении по полю (рисунок 3) анализировать текущее состояние растений по обеспеченности азотом. Также подобраны аналитические соотношения, позволяющие рассчитать основные параметры оптико-электронной аппаратуры для обеспечения указанного контроля с требуемым быстродействием, пространственным и спектральным разрешением. Определены основные характеристики разработанного в рамках импортозамещения гиперспектрометра, предназначенного для работы в отечественной системе технологий точного земледелия и обеспечивающего решение указанной задачи. Проведено моделирование работы оптической системы гиперспектрометра в специализированной программе Zemax, результаты которого удовлетворяют требованиям по пространственному и спектральному разрешению, а также создана 3D-модель конструкции оптико-электронной системы мониторинга в специализированной программе SolidWorks (Приложение 3).
К достигнутым результатам можно отнести обоснованный метод недеструктивной диагностики состояния азотообеспечнности сельскохозяйственных культур сортов отечественной селекции на основе спектральных данных с применением теории вегетативных индексов, разработанную оптико-электронную систему мониторинга, созданную по схеме гиперспектрометра и обеспечивающую спектральный анализ фотосинтезирующего аппарата растительности сельскохозяйственных культур сортов отечественной селекции в режиме реального времени, созданный демонстрационный макет оптико-электронной системы мониторинга.
Кроме того, авторским коллективом разработана методика прогнозирования состояния сельско-хозяйственных посевов с применением данных мониторинга и климатического прогноза (Росгидромет).

Научная новизна проекта заключается в снижении рисков при выращивании сельскохозяйственных культур, посредством наблюдения за состоянием посевов в режиме реального времени и прогнозировать наступление стрессовых воздействий (абиотических и биотических) и минимизировать связанные с ними потери. Для уменьшения потерь на первом этапе необходимо получить посевы с внесенной оптимальной дозой азотных удобрений на каждом участке поля, что в свою очередь является мощным инструментом точного земледелия и позволяет снизить расходы на дорогостоящие действующие вещества, уменьшить нагрузку на окружающую экологическую среду и вариабельность получаемой сельскохозяйственной продукции, и в тоже время увеличить урожайность и повысить качество товарной продукции (снижение содержания пестицидов, тяжелых металлов, нитратов)
Также ценность представляют новые, ориентированные на отечественные сорта алгоритмы расчета оптимальной дозы вносимых удобрений, которые позволяют отказаться от использования зарубежных датчиков содержания азота, что в свою очередь удовлетворяет принципам импортозамещения и принципам продовольственной независимости. Значимыми являются специально спроектированная оптическая система, и находящиеся в разработке аппаратное и программное обеспечение.
Описание применимости
Создаваемый продукт имеет ряд конечных пользователей.
Агрохолдингам и фермерским хозяйствам, выращивающим экологически чистую продукцию (за счет оптимизации норм внесения удобрений), создаваемый комплекс будет интересен, как устройство мониторинга азотообеспеченности и определения оптимальной дозы минерального вещества в процессе внесения удобрений.
В научно-исследовательских институтах, занимающихся селекцией и семеноводством, данный комплекс будет использоваться с целью выработки норм внесения минеральных удобрений для различных сортов отечественной селекции и разработки технологических карт для последующего их применения в системе точного земледелия.
Для задач агрострахования и мониторинга чрезвычайных ситуаций будут необходимы базы данных состояния вегетирующего растительного покрова, получаемых в ходе работы прибора на полях. Кроме того, в случае чрезвычайных ситуаций можно будет использовать инструментальные данные для принятия решений о пересеве посевов и оценке независимого ущерба, если пересев не возможен.
В данном проекте уже выразила заинтересованность компания AMAZONE, производящая сельскохозяйственную технику. Также потенциальным заказчиком выступает РостовАгроМаш. Прибором планируется оснастить уже производящиеся компанией комплексы, также можно ставить оборудование и на уже введенное в работу.
Дальнейшее развитие проекта
Расширение диагностируемых оптическими методами стрессовых состояний представляет собой востребованное направление развития технологий точного земледелия. Для такого рода расширения требуется проведение дополнительных полевых экспериментов с целью выявления специфических закономерностей между спектральной отражательной способностью и структурой и состоянием растительности, пораженной например, грибными заболеваниями или в стрессовом состоянии при внесении высоких норм химикатов. Одним из рациональных вариантов развития представляется перенос оптико-электронной системы на иной аппарат-носитель, например летальные аппарат типа квадракоптер. Такие изменение приведут к увеличению скорости анализа исследуемых площадей, независимости траектории анализа от особенностей рельефа, и главное независимости времени проведения исследований от графика выполнения процедур сельскохозяйственных технологий выращивания. Такой подход приведет к возможности проведения ранней диагностики расширенного количества стрессовых состояний растений и своевременного принятия мер по снижению такого рода явлений. Для реализации указанного варианта развития следует провести модернизацию оптического системы под новые технические требования.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ