Tikslioji žemdirbystė labai svarbi optimizuojant pasėlių derlingumą ir efektyvų išteklių naudojimą. Viena jos priemonių – inovatyvios sėklų išdėstymo dirvožemyje stebėsenos sistemos.

Optimalus daigumas ir pradinis augalų augimas priklauso nuo to, ar per sėją sėklos tinkamai išberiamos į dirvožemį. Idealiu atveju sėklos turi būti išbertos iš anksto nustatytu vienodu atstumu ir gyliu, tačiau praktikoje pasitaiko netikslumų. Tolygus sėklų pasiskirstymas vagoje maksimaliai padidina kiekvieno augalo augimo plotą ir derlių, nes sumažinama kaimyninių augalų konkurencija. Be to, vienodas sėklų išdėstymas slopina piktžolių augimą.

Stebėti realiuoju laiku sėklų išdėstymą sėjant naudojamos stebėsenos sistemos, apimančios įvairias jutiklių technologijas, įskaitant optines, pjezoelektrines, radijo bangų ir kompiuterinio matymo. Šių stebėjimo sistemų integravimas į sėjamąsias leidžia akimirksniu gauti grįžtamąjį ryšį ir koreguoti sėją, sumažinti netolygaus sėklų pasiskirstymo riziką.

Užtikrinti sėklų atstumo tolygumą – vienas esminių aspektų vertinant sėjamosios našumą. Tiksliosios sėjamosios, skirtos tokiems augalams, kaip kukurūzai ar cukriniai runkeliai, buvo sukurtos, siekiant užtikrinti tikslius tarpus tarp sėklų, tačiau jų taikymas yra apribotas didesniais tarpais tarp eilučių. Javų sėjos atveju vyrauja įprastos sėjamosios, kuriose naudojamas tūrinis matavimas rievėtais arba dantytais voleliais, todėl sėklos pasiskirsto atsitiktine tvarka.

Norint įvertinti sėjos proceso rodiklius, reikia kontroliuoti ir nustatyti tarpą tarp sėklų ir sėjos gylį. Ši kontrolė reikalauja papildomo laiko ir darbo sąnaudų, tad ne visada gali būti atliekama. Sėklų kartografavimas – strateginis duomenų šaltinis, leidžiantis gauti informacijos apie kiekybinius ir (arba) kokybinius sėjos operacijos aspektus. Nors tradiciniai dirvožemio parametrų matavimai paprastai naudojami sėjamosios našumui įvertinti, tačiau jie yra jautrūs įvairiems veiksniams: sėklų sluoksnio kokybei, oro sąlygoms po sėjos, augalų dygimo efektyvumui, savaime augantiems augalams ir sėjamosios našumo problemoms. Nors sėklų paėmimas matavimams ir suteikia išsamių rezultatų, tačiau kartu kelia nemažai problemų, ypač matuojant labai mažas sėklas, mat trikdomas jų dygimas, be to, tokie vertinimai turi būti atlikti per ribotą laiką. Tad siūlomos skirtingos sėjos parametrų stebėjimo sistemos.

Šioje publikacijoje supažindinama su sėjos stebėjimo sistemų tyrimais ir vertinimais, kuriuos atliko Akdenizo universiteto (Turkija), Vytauto Didžiojo universiteto ir Nacionalinio pramonės technologijų instituto (Argentina) tyrėjų grupės mokslininkai.

Lipnios juostos bandymo stendas

Tai dažniausiai naudojamas metodas, skirtas patikrinti tarpus tarp sėklų, pasėtų skirtingų konfigūracijų sėjamosiomis. Taikant šį metodą, sėjamosios sėklų dozavimo aparatas su sėklavamzdžiu tvirtinamas virš judančios juostos, padengtos lipnia medžiaga, dažnai riebalais, kad sėklos neatšoktų ar nesisuktų. Tada juosta sustabdoma, o tarpų tarp sėklų matavimai registruojami rankiniu būdu. Sumažinus sėklų atšokimą ar sukimąsi, tepalas ant juostos padeda gauti tikslesnius rezultatus.

Turkijos mokslininkai O. Onal’as ir I. Onal’as pasiūlė sėklų bandymo stendui pritaikyti kompiuterizuotą matavimo sistemą (CMS). Ji naudoja optinę lazerinę technologiją ir turi galimybę išsaugoti sėklų koordinačių duomenis, kurie perduodami į Microsoft Excel tolesnei statistinei analizei. Šio tyrimo rezultatai patvirtino, kad tikslinga naudoti lipnios juostos bandymo stendą ir CMS derinį tiksliam ir greitam kiekybiškam sėklų vienodo atstumo įvertinimui laboratorijose.

Tarpų tarp sėklų matavimo technologijos

Argentinos mokslininkai G. F. Nardon’as ir G. F. Botta atkreipė dėmesį į tai, kad sėklų tarpams matuoti gali būti pritaikomos įvairios technologijos. Tad sėjamųjų tarpų tarp sėklų matavimo sistemas pasiūlyta klasifikuoti remiantis netiesioginiais ir tiesioginiais matavimo metodais. Netiesioginiais metodais matuojamas tarpas tarp sėklų prieš sėklai pasiekiant dirvą, o tiesioginiais – tarpas tarp sėklų, lyginant su sėkla, esančia dirvoje.

Netiesioginiai metodai gali būti klasifikuojami pagal optinius ir neoptinius sėklų jutiklius, tiesioginiai – atsižvelgiant į atvirą ar uždarą sėklų vagutę.

Didelės spartos kamerų sistema

D. Karayel’as su Turkijos mokslininkų grupe sukūrė didelės spartos kamerų sistemą, skirtą sėklų atstumo vienodumui ir sėklų kritimo greičiui įvertinti. Sistemą sudaro trys pagrindiniai komponentai: didelės spartos skaitmeninė kamera, skirta sėklų išėjimui registruoti, judesio analizatorius vaizdo analizei, taip pat kompiuteris duomenims apdoroti ir stebėti. Sistema gali įrašyti judesį iki 40 500 vaizdų per sekundę ir saugoti iki 24 576 visų vaizdų, taip pat iki 393 216 dalinių vaizdų elektroninėje atmintyje, kad būtų galima juos pakartoti ir greitai peržiūrėti. Sistemos elektroninės paleidimo funkcijos leido lengvai užfiksuoti nenuspėjamus įvykius. 256 x 256 pikselių jutiklis sukūrė ryškius vaizdus su 256 pilkos spalvos lygiais, o didelis sistemos jautrumas šviesai sumažino papildomo apšvietimo poreikį. Norint gauti priimtiną sėklų skiriamąją gebą, šiam tyrimui buvo pasirinktas 750 vaizdų per sekundę dažnis, todėl laikas tarp nuoseklių vaizdų buvo 0,00133 sekundės. Vaizdui apdoroti naudota Optimas versijos 6.2 programinė įranga.

Sistemos veikimas buvo lyginamas su lipnios juostos bandymo stendo rezultatais. Identiški kviečių ir sojų sėklų sėjos modeliai įvertinti vienu metu, naudojant abu metodus. Nustatytas 10, 20, 30 ir 40 aps./min. sėjamosios matavimo ritinėlių greitis ir imituotas 1 m/sek. sėjamosios greitis. Didelės spartos kameros sistema tiksliai nustatė sėklų tarpus ir sėklų kritimo greitį visuose bandymuose su kviečių ir sojų sėklomis (nepraleido nė vienos sėklos).

Nustatyta, kad didesnį sėklų skaičių sėklavamzdyje lemia kontaktų skaičius tarp sėklų. Sumažėja sėklos kinetinė energija, todėl sumažėja ir sėklų kritimo greitis. Kai sėklavamzdyje buvo mažiau sėklų, jų kritimo greičio skirtumai padidėjo, nes tik nedaugelis atsitrenkė į sėklavamzdžio sienelę. Sėklos kritimo greitis – veiksnys, prisidedantis prie jos atšokimo ir nuriedėjimo vagutėje.

Optinių jutiklių sistema

Palyginus optinių jutiklių ir didelės spartos skaitmeninių fotoaparatų matavimo sistemų privalumus ir trūkumus, ištirtas sėklų pasiskirstymo tolygumas. Matavimo sistemą su optiniais jutikliais sudaro sėklas aptinkantys fotodiodai, mikrovaldiklio vaizdo analizė ir kompiuteris. Fotodiodai, skleidžiantys infraraudonąją šviesą (IRED), naudojami kaip optinio jutiklio siųstuvai ir imtuvai. Kiekvieną kartą, kai sėklos nutraukia kelią tarp imtuvo ir siųstuvo, keičiasi imtuvo fotodiodo elektrinis atsakas. Į eksperimentinę sąranką įdėta 40 siųstuvų-imtuvų diodų porų su optiniais jutikliais išilgai dviejų ašių. Imtuvas ir siųstuvai montuojami pakaitomis, kad jutikliai būtų sujungti kuo arčiau vienas kito. Taigi aklosios zonos tarp infraraudonųjų spindulių sumažintos iki 0,35 mm, o tai leidžia aptikti ne mažesnes kaip 1 mm skersmens sėklas. Mikrovaldymo blokas nuskaito signalus, gaunamus iš optinių signalų, 250 μs intervalu ir nustato, kuris jutiklis aptinka sėklas. Tada laiko skirtumas tarp aptiktų sėklų perduodamas analizuoti kompiuteriui.

Tyrimo rezultatai parodė, kad tarpai tarp sėklų, atliekant eksperimentus su sojų sėklomis, išmatuoti abiem sistemomis, reikšmingai nesiskyrė. Tačiau matuojant tarpus tarp kviečių sėklų, rezultatai skyrėsi. Tyrimas atskleidė, kad optinio jutiklio sistemos matavimo paklaidos buvo didesnės nei didelės spartos kameros matavimo sistemos.

Infraraudonųjų spindulių jutikliai paprastai naudojami sėklų prabyrėjimui aptikti. Mokslininkai G. F. Nardon’as ir G. F. Botta teigia, kad optinio tipo sėklų jutikliams IR technologija yra tikslesnė, sunaudoja mažiau energijos, yra ekonomiška ir turi paprastą įvesties ir išvesties signalų valdymą. S. Rossi’is ir Argentinos mokslininkų grupė teigia, kad fotoelektriniai sėklų jutikliai aptinka šviesos spindulio nutrūkimą, kai sėkla praeina tarp šviesos skleidėjo ir imtuvo. Kompiuteris apdoroja signalus, kad nustatytų sėklų skaičių ar sėjos normas. Monitoriuje fiksuojamas laikas tarp sėklų (ankštinių augalų), kad būtų nustatyti tarpai tarp sėklų.

Optinio tipo sėklų jutiklius galima suskirstyti į dvi grupes pagal jutiklio šviesos šaltinių valdymo schemą. Vieną grupę sudaro sėklų jutikliai su šviesos šaltiniais, kurie laikui bėgant nepertraukiamai veikia pastoviu šviesos intensyvumu. Kita grupė – sėklų jutikliai su šviesos šaltiniais, kurių intensyvumo kontroliuoja periodiniai signalai. Šviesos šaltinių ir detektorių skaičius parenkamas atsižvelgiant į konkrečią taikymo vietą, formą ir aptikimo zonos matmenis sėklų vamzdyje. Šie jutikliai gali būti montuojami sėklavamzdyje.

Argentinos mokslininkai sukūrė algoritmą sėklų prabyrėjimui aptikti per linijinį vienmačių jutiklių masyvą, kuris yra statmenas sėklų praėjimui. Šis metodas lengvai įgyvendinamas mikrovaldiklyje ir naudojamas realiuoju laiku.

Infraraudonųjų spindulių jutiklių naudojimas yra gana nebrangus metodas, atsparus įvairioms aplinkos sąlygoms, neinvazinis ir leidžia naudoti didelį mėginių ėmimo dažnį. Tačiau turi ir trūkumų, nes matavimams įtaką gali daryti dūmai, dulkės, atspindžiai ar labai tamsūs paviršiai. Siekiant parodyti metodikos efektyvumą, Nacionaliniame pramonės technologijos institute (Argentina) atlikti eksperimentai su skirtingais sėjos scenarijais, naudojant pneumatinę sėjamąją su sėklavamzdžiais ir didelės spartos kamerą. Eksperimentuose buvo naudojamos trijų rūšių sėklos (kukurūzų, sojų ir saulėgrąžų) ir du skirtingi sėjos greičiai. Kadangi neaptiktų sojų sėklų paklaida didelėmis dozėmis buvo didesnė, panaši tendencija pastebėta ir tikslumo vertėse: šiuo atveju tikslumas yra mažesnis, o vertės yra nuo 96 iki 98 procentų. Visais kitais atvejais tikslumas yra didesnis kaip 99 proc., išskyrus atskirus atvejus, kai vertės yra nuo 98 iki 99 procentų.

Nors atlikta nemažai sėklų aptikimo, naudojant infraraudonųjų spindulių jutiklius, tyrimų, šis unikalus tuo, kad jame įdiegta objektų paieškos dvejetainiuose vaizduose iš infraraudonųjų spindulių jutiklių signalų technika.

Įvairių jutiklių privalumai ir trūkumai

Smulkioms sėkloms, pavyzdžiui, rapsų, aptikti naudojami šviesolaidiniai jutikliai. Jie yra brangūs, o šešių eilių tiksliosios sėjamosios stebėjimo realiuoju laiku techninės įrangos kaina gali būti didesnė nei pačios sėjamosios. Tai labai riboja rapsų ir kitų smulkių sėklų sėjos normos ar sėjos kokybės stebėsenos taikymą ir populiarinimą.

Tarp sėklų stebėjimo sistemų fotoelektrinis jutiklis turi privalumų, tokių kaip didelis jautrumas, lengvas signalo apdorojimas, maža kaina ir didelis aptikimo tikslumas. Tačiau jis yra jautrus dulkėms, trąšų likučiams ir kitiems veiksniams, be to, jam reikia didesnės apsaugos ir reguliarios priežiūros.

Akustinis-elektrinis jutiklis nėra jautrus dulkių trikdžiams ir gali aptikti sėklų pažeidimus, kai jis derinamas su dirbtiniais neuroniniais tinklais. Tačiau jis yra jautrus triukšmo trukdžiams ir reikalauja sustiprintos garso izoliacijos ir triukšmo mažinimo priemonių.

Pjezoelektrinis jutiklis yra paprastos struktūros, labai jautrus, jo signalo ir triukšmo santykis (SNR) yra aukštas. Be to, jis gali būti naudojamas esant sudėtingoms sąlygoms, tokioms kaip dulkės ir vibracija. Tačiau dabartiniai pjezoelektriniai jutikliai dažniausiai naudojami oro srauto tiekimo ir sėklavamzdžio užsikimšimams aptikti.

G. Bourges’as su kitais Argentinos mokslininkais pasiūlė tikslų pneumatinį sėklų matuoklio bandymų stendą. Sėklos aptinkamos pjezoelektriniu jutikliu, pritvirtintu prie smūginės plokštės, kad būtų galima įvertinti tikslų pneumatinį sėklų matuoklį. Laiko skirtumai tarp kiekvieno sėklų aptikimo yra proporcingi išilginiam atstumui tarp sėklų vagutėje. Palyginti su infraraudonųjų spindulių jutikliais, pjezoelektrinį jutiklį galima lengvai pritvirtinti prie plokštės su dviguba juosta ir tiesiogiai prijungti prie kompiuterio. Pjezoelektrinius jutiklius lengva įdiegti, tačiau jų signalo apdorojimas yra sudėtingesnis nei fotoelektrinių jutiklių.

Sukūrus ir pritaikius naują algoritmą signalų analizei, pagerėjo sėklų aptikimas. Algoritmas tiesiogiai apdoroja signalą, naudodamas įprastinius skaičiavimus, dėl to jis gali būti įdiegtas mažuose mikrovaldikliuose ir taip padidinti pjezoelektrinių jutiklių efektyvumą stebint sėklų srautą.

Išbandytų algoritmų veikimas buvo lyginamas naudojant kukurūzų, sojų ir saulėgrąžų sėklų barstymą, imituojant 6 ir 12 km/val. važiavimo greitį. Sukurtas VTPD-AM algoritmas leido pasiekti daugiau kaip 97 proc. sėklų stebėjimo tikslumą.

S. Rossi’s ir kt. sukūrė ir išbandė greitą didelio tikslumo pjezoelektrinę aptikimo sistemą, kurioje kaip plokštelinės medžiagos panaudotos plieninė akrilinė, vidutinio tankio medienos plaušų plokštė (MDF), stiklo pluoštas ir autoklavuotas akytasis betonas (AAC). Rezultatai parodė, kad stiklo pluoštas pasižymėjo didžiausiu matavimo tikslumu, viršijančiu 95 proc., nustatant sojų, kukurūzų ir saulėgrąžų sėklas. Tokie tyrimai prisideda prie efektyvesnių ir tikslesnių metodų, skirtų tiksliųjų sėjamųjų sėjos našumui didinti.

Radijo bangų technologija

Radijo bangų sėklų jutikliai yra nauja technologija, kuri iš esmės keičia sėklų aptikimą žemės ūkyje. Šis jutiklis skleidžia aukšto dažnio radijo bangas per anteną, esančią šalia sėklavamzdžio. Bangos turi unikalų gebėjimą įsiskverbti į sėklas, skirtingai nei šviesos bangos, naudojamos optiniuose jutikliuose. Kai bangos praeina per sėklas, jų savybės, tokios kaip amplitudė ir fazė, keičiasi atsižvelgiant į sėklos masę ir drėgmės kiekį. Naudodamas sudėtingą programinę įrangą, jutiklis gali identifikuoti atskiras sėklas, nustatyti jų dydį ir tarpus ir netgi aptikti bet kokias dvigubas (dvi kartu įstrigusias) arba praleistas (trūkstamas) sėklas pagal analizuojamą signalą.

Vienas iš svarbiausių radijo bangų jutiklių privalumų yra jų atsparumas dulkėms. Skirtingai nuo optinių jutiklių, kurie yra jautrūs dulkių dalelėms, radijo bangos tiesiog praeina pro dulkes, užtikrindamos tikslų sėklų aptikimą net sudėtingiausiomis sąlygomis. Be to, radijo bangos gali atskirti masės skirtumą tarp vienos ir dviejų sėklų, esančių kartu, o tai yra tradicinių optinių jutiklių problema. Radijo bangų jutikliai gali būti montuojami sėklų vamzdelio apačioje, kur sėklų singuliacija ir tarpai yra svarbiausi sėjos tikslumui.

Apskritai, radijo bangų sėklų jutikliai siūlo tikslesnį ir patikimesnį būdą aptikti ir analizuoti sėklas sėjamojoje, palyginti su tradiciniais optiniais jutikliais. Ši technologija vis dar kuriama, tačiau ji gali gerokai pagerinti sėjos tikslumo stebėjimą.

Apibendrinant galima teigti, kad labai svarbu vertinti sėjamųjų sėklų tarpo vienodumo stebėjimo sistemas, siekiant pagerinti tiksliosios žemdirbystės praktiką ir optimizuoti derlių. Tokie tradiciniai sėklų pasiskirstymo vertinimo metodai, kaip lipnių juostų bandymų stendai ar rankinis vertinimas, turi daug apribojimų, įskaitant jautrumą išoriniams veiksniams, be to, tai daug laiko reikalaujantis procesas, kur galimos žmogaus klaidos. Inovatyvios sėklų stebėjimo sistemų optinės, elektromagnetinės, pjezoelektrinės ir kompiuterinio matymo technologijos leidžia realiuoju laiku tiksliai stebėti sėklų išdėstymą sėjant.