О процессе выращивания растения на примере анализа полей из космоса

Инженерам приходится думать над управлением не только техническими системами, но и процессами, связанными с живыми организмами

Для мониторинга полей чаще всего используется аэрофотосъемка и космическая съемка поверхности Земли

Процесс выращивания растения зависит от культуры, целей выращивания и условий произрастания. 

Ярким примером такого процесса является процесс выращивания растений (см. рисунок 1). Процесс выращивания растений может быть связан с сельским хозяйством, например, быть подчиненным процессам производства определенных биоматериалов – зерна, кормов и пр. Но выращивание растений может быть частью и более сложных процессов, таких как украшение жилища, поддержание экосистем, выстраивание определенных ландшафтов и т. д. 

Ключевой целью процесса выращивания является обеспечение роста и развития растения, доведения его от стадии прорастания до стадии зрелости. Так как живой организм не может быть непосредственно сконструирован, процесс выращивания подразумевает создание условий для самостоятельного роста и развития растения. Поэтому инженеру принципиально важно знать эти условия и понимать, как их создавать и поддерживать.

Рассмотрим подробнее пример масштабного промышленного производства  сельскохозяйственной продукции, для которого характерны посадки монокультур (таких как кукуруза, рапс и др.) на больших площадях — в полях, измеряемых в гектарах и обрабатываемых с помощью тракторов и других машин. В промышленном сельском хозяйстве огромную роль играет мониторинг состояния растений: стадий роста, влажности, цветения или поражения вредителями и т. п. В зависимости от состояния растений в поле, бывает необходимо срочно принимать меры: в нужный момент распахивать землю и сажать, поливать, бороться с вредителям и т. д.

Сейчас, благодаря так называемому цифровому сельскому хозяйству, огромные площади могут обрабатываться небольшим числом работников, оснащенных роботизированными системами (полива, сбора урожая и т. д.) и специальными системами мониторинга. 

Рисунок 3. Принцип работы сложной технической системы для промышленного сельскохозяйственного выращивания растений

Рисунок 2. Анализ растений с помощью мультиспектральной космической съемки

Рисунок 1. Процесс выращивания растений

При этом используется не только оптическая съемка местности, но мультиспектральная съемка — съемка одного и того же участка местности производится одновременно в нескольких различных спектрах с помощью нескольких камер или фильтров. Так, благодаря сопоставлению оптических и инфракрасных диапазонов (см. рисунок 2) можно сделать выводы о стадии созревания растения, его состоянии с точки зрения насыщенности влагой, достаточности минералов и т. д. Это становится возможным благодаря фундаментальным физическим свойствам взаимодействия света с материей — радиоволны разной длины по-разному отражаются и поглощаются поверхностью земли и объектами на поверхности. Это позволяет сделать выводы о состоянии поверхности.

Обобщим ключевые отличия промышленного выращивания растений:

Выращиваются монокультуры, при этом от побочных культур, насекомых и многих других живых организмов избавляются – это позволяет работать с более простой моделируемой живой системой.

Огромные объемы производства не позволяют учитывать состояния отдельных растений, требуют массовых решений.

Требуется регулярный мониторинг больших площадей (десятки и сотни гектаров, большая протяженность полей и т. д.) с точным позиционированием (до кв. метра) отдельных участков – для точечного применения роботизированной техники.

Необходимо поддерживать рост растений на всех стадиях их жизни, максимально автономно.

1.

2.

3.

4.

Таким образом, техническая система, которая должна обеспечивать выращивание растений должна учитывать и описанные выше ограничения, и доступные технологические возможности. Такая техническая система может быть достаточно сложной (см. рисунок 3) и включать в себя как мониторинговую часть (например, космические спутники), так и обрабатывающую часть (трактора, в т.ч. роботизированные, беспилотники для точечного полива, распылители, доступ к воде, специальные химические вещества и т. д.). 

Рассмотрим, примеры значимых характеристики для процесса выращивания растений, которые можно выделить при проектировании такой технической системы:

Ключевая целевая характеристика, поскольку промышленное с/х ориентировано прежде всего на объемы производства

Суммарная масса урожая составляет 30 тонн.
Средняя масса стебля с листьями составляет 400 грамм.

Стадия выращивания растения – от семени до появления плодов

Побег, цветение и т.п.

Уровень насыщенности растения влагой

Увлажнение 80% от нормы.

Уровень наличия необходимых минералов

Сниженное содержания калия

Наличие живых организмов: насекомых, грибов, бактерий, препятствующих выращиванию растений

Картофель поражен колорадским жуком

Наличие побочных растений и сорняков (или процент от выходной массы продукта)

5% урожая рапса составляет сурепка.

На какой территории выращивается растение

Поле имеет площадь 5 га.

Как часто мы можем обновлять обозначенные выше характеристики, тем самым реагировать на возникающие изменения

Частота обновления – 2 суток.

Минеральный и органический состав почвы в месте выращивания

Дерново-подзолистая почва
Содержание минералов в почве:

Рельеф в месте расположения поля, бывает важно учитывать при расчетах и автономной обработке

Перепад высоты в поле составляет 4 метра на 100 метров

Географическое положение поля

Координаты центра поля широта/долгота в градусах: 55.3 634 472, 35.8 010 528

Данные характеристики можно объединить и построить модель выращивания растений для промышленного сельского хозяйства. Два противоположных подхода могут помочь выйти на построение модели.

Название характеристики

Описание характеристики

Примеры принимаемых значений

Первый подход

Первый подход заключается в опоре на уже выработанные в биологии и сельском хозяйстве модельные представления о растениях и их выращивании. Так, в биологии вводятся модели, описывающие строение растения на каждой из стадий развития, вводятся определенные нормы роста и развития (высота растения, длина корня, площадь поверхности листьев и т. п.). Для долгосрочных процессов выращивания, особенно в открытом грунте и с естественным освещением, становятся климатические модели, связывающие между собой освещенность, влажность и др. В почвоведении вводятся модели почв, описывающие ключевые необходимые для роста растений параметры и т. д.

Второй подход

Второй подход подразумевает опору на возможности доступных технических систем, которые обеспечивают выращивание растений. Например, анализ доступных для гражданского использования космических аппаратов (как отечественных, так и зарубежных) и производимых ими снимков позволяет увидеть, какие типы съемки и с какой точностью в принципе возможны, какие спектры и длины волн будут доступны для анализа. Количество спутников и их траектории пролета могут дать информацию о частоте обновления данных. Существуют различные системы обработки растений, удобрения, химические вещества для обработки и т. д. Помимо этого в настоящий момент широко распространены специальные генномодифицированные виды растений, выращивание которых происходит с особенностями, позволяющими упрощать технические системы, обеспечивающие выращивание. Например, такие растения могут обладать устойчивостью к определенным вредителям, что позволяет избавиться от отдельных процедур обработки полей химикатами.

В завершении рассмотрим, как процесс ориентации подводного аппарата может быть реализован в каждой из двух сценариев использования, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игры к моделированию в реальности»

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

В данной номинации занятия должны касаться общей модели, представленной в виртуальной среде и реальной технической системе. В качестве виртуальной среды можно взять какую-то из популярных игр, представляющих процесс выращивания растений, например, в жанре симулятора фермы (Stardew valley, Farming Simulator, Modern Farming и др.). Работу с реальной ситуацией можно построить на анализе реальных космических снимков сельскохозяйственных полей в регионе проведения занятий. Сопоставление моделей, необходимых на каждом из этих занятий, позволит сформулировать модель выращивания растений, необходимую для промышленного сельского хозяйства.

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления ориентацией, включающего моделирование и программное управление. Поскольку школьники вряд ли смогут выстроить процесс управления сельскохозяйственным предприятием, в данном случае можно рассмотреть симуляционную задачу – про прохождение полного цикла управления в виртуальной среде (например, в профессиональных системах управления фермой с открытым кодом, таких как LiteFarm). Другой вариант – самостоятельно создать с учащимися простую самостоятельную игру/симуляционную среду в опоре на открытые данные космических снимков.

О процессе выращивания растения на примере анализа полей из космоса

Контакты

© 2026 Ассоциация кружков