V. Ždímal, P.Axman, J.Pospíšil
Ústav krajinné ekologie
Ústav obecné produkce rostlinné
Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Agronomická fakulta
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Zemědělská 1
613 00 Brno
E - mail: zdimal@mendelu.cz, axman@mendelu.cz,
pospisil@mendelu.cz
Precision agriculture, based on modern technologies, represents a progressive part of today's agriculture. This trend cannot be omitted in a teaching of future agricultural specialists. Fields had been chosen on the School agricultural enterprise Žabčice, on which selected technologies were demonstrated in 2001. During a season, aerial photographs (both of visible and infrared part of a spectrum) of each phenophase were taken and at the same time the following characteristics of crop growth were identified - a phenophase, an above ground biomass, and a leaf area. Yield maps of selected fields were created based on data obtained from a CLAAS combine harvester equipped with the GPS and yield sensor. Data were then processed with the use of the GIS. The crop growth and yield data were put into the GIS. During a teaching process students can compare a state of crop during a season to a final yield and they can suggest optimal agrotechnical measures.
Precizní zemědělství patří ke slibně se rozvíjejícímu směru současného zemědělství, který využívá moderní technologie. Tento trend nemohl zůstat nepovšimnut ani při výuce budoucích zemědělců. Na Školním zemědělském podniku Žabčice byly vybrány pozemky, na kterých v roce 2001 byla provedena demonstrace vybraných technologií. V průběhu vegetačního období bylo v jednotlivých fenofázích prováděno letecké snímkování ve viditelné a infračervené části spektra a zároveň byl sledován růst zemědělských plodin z hlediska fenofáze, nadzemní biomasy a listové plochy. Po pořízení sklízecí mlátičky firmy CLAAS vybavené global position system a výnosovým čidlem bylo možno vytvořit výnosové mapy zvolených pozemků. Získané údaje bylo nutno pro potřeby výuky zpracovat a jako nástroj zde byl použit geografický informační systém (GIS). Průběh vývoje plodin a výnos byly zaneseny do GIS a studenti mají nyní ve výuce možnost porovnat stav plodin v průběhu vegetačního období s konečným výnosem a navrhnout agrotechnická opatření pro další vegetační období.
Samotný název "precizní zemědělství" je převzatý z angličtiny. Podle literárních pramenů má uvedený termín na mysli provádění určitých výrobních operací v zemědělských technologických postupech způsobem, který vychází z přesnějšího poznání a podrobnějšího popsání podstaty určité části daného postupu, a zasahuje tak, aby zmíněnému poznání co nejvíce vyhověl. Tím se na jedné straně dosahuje optimalizace průběhu technologického procesu splněním přesněji formulovaných požadavků na provedení, na druhé straně lepšího využití (pracovního předmětu - hnojiv ap., nebo pracovního prostředku - tzn. stroje) a tím v konečném důsledku snížení jednotkových nákladů na získávaný produkt.
Systémy hospodaření v zemědělství se pochopitelně stále vyvíjejí a zdokonalují. K určitému pokroku obvykle dochází aplikací technologií často vyvinutých pro jiné účely, ale vhodně v zemědělství využitých. Nejinak tomu je i v případě zavádění systému hospodaření nyní nejčastěji nazývaném precizní zemědělství (Precision Agriculture). Precizní zemědělství, nebo ještě lépe precizní hospodaření (Precision Farming) je nový holistický přístup k hospodaření na půdě založený na rozvoji informačních technologií současnosti. Posunuje zemědělství do digitálního a informačního věku.
V čem se tolik odlišuje od klasických (konvenčních nebo integrovaných) systémů hospodaření?
- v celkovém pohledu a chápání produkční jednotky, tj. pole, ev. části pozemku
- ve využívání odlišných postupů technologií i techniky.
Tradiční hospodaření na zemědělské půdě uvažuje jednotlivá pole jako minimální plochu pro agrotechnický zásah. Zároveň tuto jednotku považuje za víceméně uniformní ve svých vlastnostech a kvalitě a ignoruje prostorovou variabilitu specifických vlastností půdy (obsahu dostupných živin, půdní vláhy, textury, pH, obsahu organické hmoty). Přitom tyto charakteristiky mohou působit svojí variabilitou na produkční variabilitu pěstovaných plodin. Podchycení a vhodná reakce na variabilitu půdních vlastností je základem precizního zemědělství ať už se jedná o variabilitu časovou nebo prostorovou. Prostorová variabilita se projevuje v různorodosti vlastností jednotlivých částí pozemku, způsobené variabilitou v produktivitě rostlin a jejich výnosů, časová ročníkovými diferencemi půdních charakteristik i výnosů.
Precizní hospodaření má za cíl zlepšení produkční účinnosti porostu a redukci nezdravého působení zemědělských chemikálií na životní prostředí usměrněnými vstupy (výsevky, dávkami hnojiv, aplikací pesticidů) podle specifických podmínek každé jednotlivé zóny na poli. Vyžaduje to rozdělit jednotlivá pole na zóny pro relativně homogenní obhospodařování. Tyto zóny potom mohou být ošetřeny vzájemně odlišně.
K určení a rozdělení určitého pole na zóny jednotného ošetření či zásahu se používají v podstatě dva způsoby. Jeden je založen na tvorbě výnosových map, ať už pořízených výnosovými senzory nebo na základě snímkování porostu, druhý na vzorkování půdy v určité síti. Vzorky potom slouží ke stanovení nejrůznějších parametrů půdy. Dále jsou užívány různé modely pro interpolaci dat mezi body přes jednotlivé pole. Pole je rozděleno na regiony s přibližně uniformní úrovní výnosů nebo např. obsahem živin či jiných parametrů a vlastností. Výsledek této analýzy je stanovení aplikačních dávek hnojiv nebo herbicidů vycházejících z vlastností půdy či pokryvu. Nejčastěji uvažované parametry charakterizující půdní vlastnosti jsou obsah organické hmoty v půdě, obsah přístupných živin, pH a struktura půdy. Všechny tyto parametry vykazují značně proměnlivou úroveň na jednotlivých zónách pole. Jejich zjišťování může byt prováděno také přímým měřením pomocí různých senzorů. Strategie odběru vzorků je velmi důležitá, ať už pro zlevnění metody snížením počtu vzorků nebo zpřesněním stanovení prostorové variability.
Výnosové mapy jsou významné pro určení ploch na poli se stejným výnosovým potenciálem. Dávají základní informace o stavu živin (půdním potenciálu), pomáhají vytvořit zóny stejné nebo srovnatelné půdní úrodnosti nebo produktivity na poli, resp. jsou určitým kontrolním prvkem účinnosti celého systému precizního zemědělství. Fyzikální vlastnosti půdy však často mohou být významnějším faktorem způsobujícím variabilitu výnosů než pouze obsah živin v půdě.
Pro zrychlení získávání výnosových údajů se často využívá leteckého multispektrálního snímkování, z odrazu záření porostem se usuzuje na jeho stav (obsah vody, chlorofylu), na objem (biomasa) a plochu (pokryvnost listové plochy) a tyto ukazatele jsou dobrými prediktory výnosu a dobrými indikátory lokálního výnosového potenciálu. Dálkové (letecké) snímkování (remote sensing) je potenciálně velmi dobře využitelné v technologii precizního zemědělství. Pro získání informací o porostech je používáno již mnoho let. V současné době zaváděná technologie obrazové videoanalýzy umožňuje vizuální interpretaci snímku i jeho digitální zpracování. Software pro obrazovou analýzu umožňuje další zpracování dat včetně statistického zpracování a identifikaci zón s homogenním spektrálním odrazem.
Základní technologie využívané v precizním hospodaření zahrnují:
1. Systémy umožňující přesné určení geografické polohy (GPS - Global Position System)
2. Sklizňové a analytické senzory a monitory (yield meter, N-sensor, NIR- near infrared sensor atd.)
3. Prostorové informační systémy (GIS - Geografic Information Systems)
4. Technologie dálkového snímkování (remote sensing)
5. Variabilní aplikační technologie
Geografické informační databáze, počítačové modelování a počítačové řízení aplikačních mechanismů s kontrolou pozice na poli umožňují prostorově cílené aplikace zásahů, a tak ve svém důsledku lepší využití produkčního potenciálu obhospodařované plochy. Efektivnost korekčního zásahu se sleduje u následné plodiny. Geograficky orientované databáze výnosotvorných faktorů a výnosů umožňují provádět historické záznamy o hospodaření na pozemku a jejich následné zpracování do distribučních a zásahových map. Precizní hospodaření může optimalizací zemědělských vstupů významně zlepšit ekonomický výsledek hospodaření a redukovat introdukci nežádoucích látek do prostředí. Základní technologie precizního hospodaření je běžně dostupná. Nicméně metodologii je třeba neustále rozvíjet, zpřesňovat a vytvářet pro různé výrobní typy a ekologické podmínky.
Technologie geografického informačního systému (GIS) umožňuje zpracování dat do různých informačních vrstev. Na základě vyhodnocení dat, logické a korelační analýzy a s využitím simulačních modelů jsou vytvářeny mapy lokální distribuce výnosových faktorů. Tyto systémy je třeba dále zpřesňovat, zjednodušovat a upravit pro extrapolaci postupů na jiných lokalitách, půdních a ekologických podmínkách.
Významným prvkem umožňujícím rozšíření a využívání technologie precizního hospodaření je pochopitelně obecné rozšíření počítačů a příslušného uživatelského softwaru. V současné době existuje několik desítek systémů pro výnosové mapování, vzorkování a interpolaci výsledku analýz (krigování, inverzní čtverce), informačních databází a systémů zpracování dat a jejich analýzy, mapovací systémy, systémy pro tvorbu aplikačních map a podpůrné rozhodovací systémy. Rozhodovací systémy na základě agronomické interpretace analyzovaných dat o variabilitě produkčního potenciálu lokality a variability výnosů optimalizují a lokalizují vstupy podle jednotlivých zón hospodaření včetně posouzení rentability diferencovaného agrotechnického zásahu. Zůstává to však v současné době nejcitlivější oblastí precizního hospodaření.
V současné době je hlavní pozornost zaměřena na:
1. konstrukci a využívání nejrůznějších analytických, detekčních a kontrolních senzorů (real time sensor), výnosové senzory pro různé plodiny, přesnost senzorů (výnosových, aplikačních);
2. řešení problematiky variability přírodních zdrojů, tj. vztahů prostorové a časové variability půdních a plodinových parametrů, analýzu prostorových a časových dat a nejrůznější interpretační techniky (mapování a informační vrstvy), méně již na různé techniky vzorkování;
3. snímkování porostů a půdy - využívání hlavně leteckých fotografií (černobílých, barevných, NIR-near infra red, půdních radarů, hyperspektrální snímky, digitální kamery);
4. vývoj systémů pořizování, zpracování a interpretaci prostorových dat;
5. vývoj operačních strategií pro diferencované hospodaření půdou a plodinami, modelování výnosů plodin a podpůrné rozhodovací systémy, systémy interpretace výnosových map, mapování plevelů, chorob a škůdců a systémy ochrany;
6. ekonomiku a ziskovost systému precizního hospodaření, srovnání mezi konvenčními a variabilními aplikačními technologiemi.
Vše směřuje k integraci rozhodování samotného farmáře právě za použití těchto zmíněných informačních technologií.
Vývoj systému precizního zemědělství zaznamenal v posledních letech značnou dynamiku. V posledních letech se postupně vykrystalizovala konfigurace struktury precizního zemědělství do podoby (obr. 1)
obr.č.1: Konfigurace struktury precizního zemědělství
Veškeré získané údaje, pokud mají být použity ve výuce, musí být přístupné studentům. Se zpřístupňováním digitálních dat pro výuku studentů jsme započali již před několika lety po vybudování počítačové sítě univerzity. Protože data získaná pro výuku určitého předmětu jsou vhodná i pro jiné předměty, jsou tříděna spíše podle lokality než podle účelu pro který byla původně získána. V současné době lze při výuce na počítačové učebně pracovat s následujícími podklady: Katastrální mapa, Státní mapa 1:5000 - odvozená, Topografická mapa 1:10 000, Topografická mapa 1:25 000, Základní mapa ČR 1:10 000, Mapa komplexního průzkumu půd, Mapa bonitovaných půdně-ekologických jednotek. Uvedené poklady jsou k dispozici jako vektorová data pro území ŠZP Žabčice. Dále mají studenti a vyučující k dispozici historické letecké snímky od 50-let po současnost a letecké snímky získané při řešení projektu týkajícího se precizního zemědělství. Při řešení problematiky precizního zemědělství jsou použity barevné letecké snímky a letecké snímky ze spektrálního pásma 760-900 nm, tzn. blízké infračervené oblasti. Toto spektrální pásmo bylo zvoleno proto, že listy odrážejí v infračervené oblasti až 70% záření dopadajícího kolmo na jejich povrch, zatímco ve viditelné oblasti odrážejí v průměru pouze 6-12%. Blízká infračervená oblast je vhodná pro určování vegetačních typů, vitality a biomasy. U vybraných pozemků bude při sklizni vytvořena výnosová mapa, která se taky stane jedním z podkladů. Tyto "plošné" informace jsou doplněny informacemi jiných typů. U polních plodin jsou sledovány fenofáze podle Obecné stupnice růstových fází plodin a plevelů (BBCH), pokryvnost listoví (LAI) a suchá hmota nadzemní části rostliny. Do budoucna bude u jednotlivých plodin sledována spektrální odraznost v průběhu celé vegetační sezóny.
Nejdůležitější otázka je "co s tím vším". Data nestačí jenom mít, je třeba je co nejvíce využít ve výuce, převážně na počítačových učebnách. Jako první krok se studenti seznámí s měřením spektrálního složení odrazu záření u jednotlivých plodin. Následuje vyhodnocení leteckých snímků u konkrétního, studentům známého porostu, kde mohou určit heterogenitu pozemku, sledovat vývoj plodin, odlišit pozemky s různými plodinami případně identifikovat zaplevelené pozemky. Vývoj plodin v průběhu roku mohou srovnat s výnosovou mapou. Jako podklad mohou použít další dostupné datové zdroje. V předmětech souvisejících s prostorovým uspořádáním krajiny se studenti ve známé lokalitě seznámí se stanovením "land cover" na podkladě DPZ. Nejasnosti lze vyjasnit při terénním cvičení, kde lze vše obšlapat a podívat se z blízka. Historické snímky a historické mapy pomohou sledovat vývoj krajiny a určit současné nepravidelnosti.
Co do budoucna? Na podkladě výnosové mapy, DPZ a dalších informací o půdním prostředí lze vytvořit aplikační mapu diferencovaných zásahů při setí, případně hnojení. Tím je uzavřen cyklus praktického využití, který umožní studentům ověření funkce celého systému precisního zemědělství. V jiných předmětech poslouží disponibilní podklady k návrhům pozemkových úprav, protierozní ochrany, územních systému ekologické stability a jiných prostorových změn v krajině.
Práce je řešena za podpory FRVŠ č. projektu 1104/2001.
Recenzoval: doc. RNDr. Vít Voženílek, CSc. (UP Olomouc)