Как использовать тотальные станции для точного земледелия и планирования ферм

Точность сельского хозяйства зависит от точных пространственных данных для максимизации урожайности, минимизируя при этом такие ресурсы, как вода, удобрения и пестициды. Среди инструментов, которые предоставляют эти данные, общие станции, первоначально разработанные для строительства и землеустройства, становятся все более ценными на фермах. Предоставляя сантиметровые измерения углов, расстояний и координат, общие станции позволяют фермерам картировать поля с исключительной детализацией, проектировать эффективные системы орошения и планировать планировки посадки, которые оптимизируют землепользование. В этой статье объясняется, что такое общие станции, как использовать их в сельскохозяйственных условиях и почему они являются мощным дополнением к любому точному инструменту для сельского хозяйства.

Что такое тотальная станция?

Общая станция представляет собой электронный/оптический прибор, который объединяет теодолит (для измерения горизонтальных и вертикальных углов) с электронным устройством измерения расстояния (EDM). Современные общие станции также включают в себя регистратор данных или бортовой компьютер, позволяющий хранить собранные измерения в цифровом виде и позже передавать их в программное обеспечение для картографирования. Инструмент установлен на штативе и использует отражатель (прайм) или технологию без отражателя для измерения расстояний до конкретных точек. Точность обычно колеблется от 1 до 5 миллиметров плюс несколько частей на миллион, что делает общие станции намного более точными, чем GPS-приемники потребительского класса.

Ключевые компоненты включают:

• Телескоп — для наблюдения за целью.
• EDM датчик — измеряет расстояние, излучая инфракрасный или лазерный свет и синхронизируя его возвращение.
• Сенсоры поворота — регистрируют горизонтальные и вертикальные вращения.
• Блок сбора данных — хранит координаты точек и атрибуты.
• Батарея и дисплей — питает устройство и показывает показания.

Общие станции были основным продуктом землеустройства в течение десятилетий, но их применение в сельском хозяйстве выросло, поскольку фермеры ищут уровень точности, необходимый для ирригации с переменной скоростью, проектирования дренажа и управления высокоценными культурами. В отличие от систем на основе GPS, которые могут страдать от многолучевого сигнала или потери под плотными навесами, общие станции надежно работают в любой среде, пока существует линия зрения между инструментом и целью.

Роль тотальных станций в точном сельском хозяйстве

В точном сельском хозяйстве каждое решение получает выгоду от точной пространственной информации. Всего станции предоставляют эту информацию в масштабе, который дополняет другие технологии, такие как GPS, дроны и мониторы урожайности. Типичные виды использования включают:

• Создание топографических карт полей высокого разрешения.
• Изучение границ полей, водных путей и буферных полос.
• Прокладка ирригационных каналов, капельных линий или поворотных путей.
• Проектирование дренажных систем с точными расчетами наклона.
• Выделение сеток посадки для садов, виноградников или рядовых культур.
• Мониторинг эрозии почвы путем сравнения обследований местности с течением времени.

Поскольку все станции работают независимо от спутниковых сигналов, они идеально подходят для работы под пологом деревьев, в долинах или вблизи высоких структур, где точность GPS ухудшается. Это делает их особенно полезными для постоянных культур, специализированных ферм и исследовательских участков, где повторяемая точность на дюйм имеет решающее значение.

Пошаговое руководство по использованию полной станции для планирования ферм

Для эффективного использования общей станции требуется тщательная настройка, систематический сбор данных и надлежащая обработка данных. Следующие шаги описывают типичный рабочий процесс для сельскохозяйственных применений.

1.Планирование обследования

Перед тем, как отправиться на месторождение, определите цель обследования. Вы картографируете существующую топографию, прокладываете новые оросительные линии или устанавливаете контрольные точки для будущей работы? Выявляете границы области и решаете, какая плотность точек необходима. Для детального моделирования местности распространены точки каждые 10–30 метров; для линейных особенностей, таких как линии канавки, точки каждые 2–5 метров вдоль выравнивания обеспечивают плавные профили.

Также проверьте, что в этом районе есть четкие линии обзора. Если препятствия, такие как высокие культуры или здания, блокируют вид, рассмотрите возможность использования роботизированной общей станции, которая может работать удаленно, или спланируйте несколько установок (известных как траверсы), чтобы покрыть все поле.

2.Настройка оборудования

Выберите стабильное, повышенное положение для штатива. Инструмент должен быть выровнен и центрирован над известной точкой отсчета (базовый или постоянный маркер). Используйте трибрах и оптическую сантехнику для точной настройки установки. После того, как ноги штатива прочно посажены, установите общую станцию и выровняйте ее с помощью встроенного электронного пузыря или кругового уровня. Многие современные инструменты имеют самовыравнивающиеся компенсаторы, которые корректируют незначительное выравнивание.

Включите устройство и введите начальные координаты станции (если известны) или установите инструмент в локальную сетку.Если нет существующих координат, вы можете установить положение инструмента как (0,0,0) и позже преобразовать данные в реальную систему координат с использованием GPS или известных эталонов.

3.Принятие мер

При готовности прибора проведите через телескоп прицел (призму на полюсе или точку без отражателя). Нажмите клавишу измерения для записи горизонтального угла, вертикального угла и расстояния наклона. Прибор автоматически вычисляет горизонтальное расстояние и разницу высот. Для съемок на основе призмы убедитесь, что полюс удерживается вертикально (используйте уровень пузыря на полюсе) и что высота призмы введена правильно.

Для больших полей используйте систематический шаблон, такой как сетка или ряд параллельных трансектов. Запишите каждую важную особенность: углы поля, изменения наклона, выходы воды, края препятствий и любую существующую инфраструктуру. Нанесите на каждую точку код (например, «BND» для границы, «CONT» для контура), чтобы упростить более позднюю обработку.

4. Передача и обработка данных

После обследования подключите общую станцию к компьютеру через USB, последовательный кабель или Bluetooth. Загрузите исходный файл данных (часто в фирменном формате или в виде CSV с координатами и кодами). Импортируйте данные в программное обеспечение GIS или CAD, такое как QGIS, ArcGIS или AutoCAD Civil 3D. Многие программы поддерживают стандартные для отрасли форматы, такие как DXF, LandXML или форм-файлы.

После импорта очищайте данные, удаляя любые явно ошибочные точки (например, из-за неправильного видения). Затем генерируйте цифровую модель возвышения (DEM) или триангуляцию нерегулярной сети (TIN) для визуализации местности. Из модели можно создавать контурные линии, карты склона и карты аспектов для поддержки решений планирования.

5. Создание полевых карт и планов

Используя обработанные данные, создайте нужные вам карты:

• Топографическая карта — показывает контуры возвышения; критические для управления дренажом и стоком.
• Карта склона — определяет области крутой или нежной местности; направляет ирригационную конструкцию и контроль эрозии.
• Карта границ — определяет периметры полей для юридических и плановых целей.
• Карта планировки — наложения предложенных линий орошения, дренажных плиток или посадочных рядов на существующую топографию.

Для точного земледелия экспортируйте эти карты в формат, совместимый с вашим программным обеспечением для управления фермой (например, AgLeader, Trimble Ag Software) или непосредственно в контроллер с переменной скоростью. Многие современные системы позволяют загружать карту в виде файла рецепта, чтобы скорость подачи воды, семян или удобрений автоматически регулировалась на основе местности.

6. Использование карт для сельскохозяйственной деятельности

С картами в руках вы можете выполнять точные операции:

• Конструкция ирригации — Положение магистралей, боковых и излучателей для следования естественным контурам, обеспечивающим равномерное распределение воды.
• Планирование дренажа — Определить оптимальное расположение и степень подземных стоков с использованием модели возвышения.
• Планировка — выравнивание рядных культур или рядов деревьев вдоль контуров для уменьшения стока и улучшения воздействия солнечного света.
• Выравнивание земли — Выявление высоких и низких пятен, которые нуждаются в классификации для равномерного поверхностного орошения.

Повторите опросы после крупных земляных работ, чтобы убедиться, что оценки соответствуют спецификациям дизайна.

Основные преимущества тотальных станций для современного сельского хозяйства

Точность и надежность всех станций напрямую влияют на преимущества фермы.

Поддюймовая точность

В то время как системы на основе GPS обычно предлагают точность 1-3 метра (неисправленную) или 2-10 сантиметров (с коррекцией RTK), общие станции обычно достигают точности на уровне суб-центра или даже миллиметра. Это важно для таких приложений, как точное управление классом в полях с лазерным уровнем или для картирования дренажной инфраструктуры, где несколько сантиметров погрешности высоты могут вызвать прудирование или сухие пятна.

Независимость от спутниковых сигналов

Всего станции не полагаются на GPS, ГЛОНАСС или другие спутниковые группировки. Это означает, что они работают в затененных районах, внутри высоких туннелей, под лесными навесами и вблизи высоких зданий, где сигналы GPS слабы или многолучевые тяжелые. Для специализированных культур, выращенных под теневой тканью или в теплицах, общая станция часто является единственным жизнеспособным инструментом обследования.

Эффективный сбор данных

Современные роботизированные тотальные станции позволяют одному оператору управлять прибором с точки обзора, устраняя необходимость в втором человеке у прибора. Данные хранятся в электронном виде и могут передаваться в полевых условиях через беспроводное соединение, уменьшая бумажную документацию и ошибки транскрипции. Опытный геодезист может собирать сотни баллов в час.

Интеграция с программным обеспечением Farm Management

Данные от общих станций могут быть экспортированы в общие форматы ГИС, что позволяет напрямую импортировать на точные сельскохозяйственные платформы. Это создает бесшовный рабочий процесс от полевых обследований до картографирования по рецепту. Фермеры могут комбинировать общие данные о станциях с картами урожайности, данными о пробах почвы и спутниковыми изображениями для создания всеобъемлющих полевых моделей.

Интеграция данных о станциях с другими технологиями

Хотя целые станции сами по себе являются мощными, их стоимость увеличивается в сочетании с другими точными инструментами сельского хозяйства.

• GPS/GNSS — Используйте RTK-GPS для установки наземных контрольных точек для общего обследования станции, а затем используйте общую станцию для мелкомасштабных измерений.
• Дроны и аэрофотоснимки (FLT:0) — дрон может быстро генерировать широкую ортомозаику или DSM, но может не иметь вертикальной точности общей станции. Используйте общие измерения станции для наземной правды и уточните модель, полученную из дрона.
• Технология переменной скорости (VRT) — импортируйте общие карты высот и наклона, генерируемые станциями, в контроллер VRT для корректировки скорости посева или применения удобрений в режиме реального времени на основе местности.
• Датчики почвы — Сочетайте данные о влажности почвы или ЕС с топографическими картами от общей станции для идентификации зон с аналогичными дренажными характеристиками.

Для получения дополнительной информации об интеграции этих инструментов см. решения Trimble для сельского хозяйства (]Trimble Agriculture) и прецизионные сельскохозяйственные ресурсы USDA (]USDA NRCS Precision Ag.

Реальные приложения и тематические исследования

Всего станции были успешно развернуты в различных сельскохозяйственных условиях.

Планирование садов и виноградников — В Центральной долине Калифорнии для выкладки миндальных садов с точным расстоянием между деревьями вдоль контурных линий, сокращением стока воды и повышением эффективности сбора урожая используются общие станции, которые сократили время посадки на 30% и увеличили однородность роста деревьев.

Орошение каналов геодезической съемки — На Филиппинах, общая станция помогла проектировать третичные оросительные каналы для рисовых полей, гарантируя, что распределение воды было справедливым на тысячах небольших участков.

Выравнивание земли для орошения бороздки — На крупных хлопковых фермах в Техасе для получения подробных топографических карт до и после выравнивания земли используются общие станции. Это позволяет фермерам проверять, что сорта находятся в пределах 2-3 см от конструкции, резко повышая эффективность орошения.

Более подробно об одном случае см. в этой статье расширения из Университета Небраски-Линкольна (] UNL Расширение на полных станциях ).

Проблемы и соображения

Несмотря на их преимущества, у всех станций есть ограничения, которые фермеры должны учитывать.

• Стоимость — Новая общая стоимость станции колеблется от 5000 до 30 000 долларов США или более, в зависимости от особенностей (роботизированная, безотражательная, точность). Это значительная инвестиция для небольшой фермы, хотя существуют варианты аренды.
• Требование «Line-of-sight» — прибор должен иметь беспрепятственный вид на призму или цель.Высокие культуры, деревья или здания могут блокировать сигнал, требуя нескольких настроек (поперек), которые увеличивают время обследования.
• Кривая обучения — Для работы общей станции требуется обучение основным принципам геодезической съемки: настройка инструмента, использование призменного полюса, понимание систем координат и обработка данных. Многие фермеры нанимают профессионального геодезиста или проходят короткий курс.
• Чувствительность погоды — При дожде, тумане или пыли точность измерений без отражателя может ухудшаться, и призму может быть трудно увидеть.
• Время обработки данных — Преобразование необработанных измерений в пригодные для использования карты полей требует навыков программного обеспечения и времени. Некоторые фермеры предпочитают передавать этот шаг поставщику услуг.

Будущие тенденции в технологии тотальной станции для сельского хозяйства

Возможности станций продолжают развиваться, чему способствуют достижения в области оптики, электроники и интеграции программного обеспечения.

• Роботизированные станции общего назначения — позволяют одному человеку управлять инструментом с призменного полюса с помощью пульта дистанционного управления. Это ускоряет обследования и снижает затраты на рабочую силу.
• Безотражательное измерение — Многие полные станции могут измерять без призмы, используя лазер для отражения от естественных поверхностей.Хотя это немного менее точно (обычно ±2 мм), это полезно для измерения недоступных точек, таких как верхняя часть силоса или дальний угол поля.
• Интегрированный GPS — Новые гибридные инструменты сочетают общую оптику станции со встроенными приемниками GNSS, что позволяет двум технологиям работать вместе без проблем. Это позволяет гибко работать с использованием GPS для начальной ориентации и общей станции для тонких измерений.
• Облачное управление данными — Некоторые модели теперь загружают данные непосредственно на облачные платформы, что позволяет в режиме реального времени сотрудничать между полевыми экипажами и офисным персоналом.
• Автоматизация и робототехника — В настоящее время ведутся исследования автономных станций, которые могут быть запрограммированы на регулярное обследование поля без вмешательства человека, обеспечивая современные модели местности в течение вегетационного периода.

Будущее всех станций в сельском хозяйстве тесно связано с более широкой тенденцией оцифровки. По мере снижения затрат на датчики и улучшения обработки данных машинное обучение эти инструменты станут более доступными и простыми в использовании. Для обзора возникающих тенденций см. предложения Topcon по точности ag (]Topcon Agriculture.

Заключение

Общие станции обеспечивают уровень пространственной точности планирования ферм, который может соответствовать нескольким другим инструментам. От создания подробных топографических моделей до разработки эффективных систем орошения и дренажа, они позволяют принимать решения, основанные на данных, которые экономят время, сокращают затраты и улучшают урожайность. В то время как кривая затрат и обучения остается барьером, окупаемость инвестиций может быть существенной - особенно для высокоценных культур, постоянных насаждений и операций, которые требуют точного управления водными ресурсами. Интегрируя общие данные о станциях с GPS, дронами и технологией переменной скорости, фермеры могут построить всеобъемлющую точную систему сельского хозяйства, которая адаптируется к изменяющимся условиям поля. По мере развития технологий, общие станции останутся краеугольным камнем современного, устойчивого сельского хозяйства.