Position Dependent Control (PDC) of plant production

Abstract

Koordinaattiin sidotussa peltoviljelyssä kaikki tuotannon suunnitteluun ja toteutukseen liittyvä tieto kohdistuu paikkakoordinaateilla rajattuihin alueisiin, tuotantopaikkoihin. Tutkimuksen tavoitteena oli saada vastaukset seuraaviin kysymyksiin: 1. Millainen potentiaalinen käyttö on koordinaattiin sidotulla peltoviljelyllä? 2. Mitä vaatimuksia koordinaattiin sidontaan käytetyn menetelmän tulee täyttää? 3. Mitä mahdollisia ratkaisumalleja voidaan käyttää? Pellolla kasvuolosuhteet vaihtelevat lyhyilläkin etäisyyksillä. Keimolassa tehdyn kenttäkokeen perusteella normaalissa, näennäisesti hyvin tasaisessa kevätvehnäkasvustossa sato vaihteli voimakkaasti. Mittauksessa käytettiin 0,25 x 0,25 metrin näytealaa, jolta sato kerättiin kokonaisnäytteinä. Samasta kohdasta otettiin viljavuusnäytteet. Satonäytteitä otettiin kahdesta 50 metrin mittaisesta linjasta 0,5 metrin välein, ts. näytteeseen tuli puolet linjan vehnästä. Saatu aineisto osoittautui erittäin vaihtelevaksi. Koordinaattiin sitomisen vaikutusta simuloitiin valiten Keimolasta saadusta aineistosta alueita, joiden aineistoille laskettiin paikalliset matemaattiset mallit. Yhtenä koejäsenenä oli satotasoon perustuva alueen valinta. Selvästi parhaat ennusteet saatiin kuitenkin matkaan sidotulla alueen valinnalla. Tästä voitiin päätellä, että satotasot eivät ennusta maaperän ominaisuuksia vaan päinvastoin: tietty paikka maassa tuottaa sille ominaisen sadon. Tutkimuksessa käytettiin matemaattisia malleja simuloitaessa erilaisten tuotantopanosten kohdentamistarkkuuden vaikutusta. Kohteena oleva alue pellolla, tuotantopaikka, mallinnettiin sadonmuodostuksen ja huuhtoutuman suhteen. Mallissa tuotantopaikkaan annettava käsittely kuvattiin vaikutuskuvioiden avulla. Paikannusvirheen ansiosta vaikutuskuvion kohdentamisessa esiintyy virheitä, joiden ansiosta tuotantopaikat saavat vääriä käsittelyn tasoja. Simuloinnissa selvitettiin erilaisten paikannusvirheiden vaikutusta tuotantopaikasta saatavaan sato- ja huuhtoumatulokseen. Tulosten perusteella saadaan maksimi paikannusvirheet eri tilanteissa. Paikannuslaitteet ovat keskeisessä asemassa koordinaattiin sidotussa viljelyssä. Paikannuslaitekokeissa käytettiin satelliittinavigointilaitteistoja. Vuonna 1990/1991 kokeissa oli geodeettinen GPS (Global Positioning System) laitteisto jossa käytettiin differentiaalilaskentaa jälkikäteen. Vuosina 1 993 ja 1994 kokeissa olivat reaaliaikaiseen differentiaalikorjaukseen kykenevät laitteet. Laitteet testattiin tarkoitusta varten tarkasti mitatulla koeajoreitillä Viikissä. Lisäksi vuonna 1993 tehtiin maantie- ja kaupunkiajoja. Vuonna 1994 laitteistoa testattiin edellisten lisäksi käytännön kylvötyön yhteydessä. Tulosten mukaan DGPS (Differential Global Positioning System) on tarpeeksi tarkka koordinaattiin sidottuun viljelyyn. Paikannustarkkuus on normaaliolosuhteissa nykyisellä satelliittikonstellaatiolla parempi kuin vaatimuksena ollut ±5 metriä. Kirjallisuuden ja tutkimustulosten perusteella on selvää, että pellon vaihtelun hallinta ei ole mahdollista muutoin kuin siten, että peltoa viljellään paikkakoordinaattiin sidottuina tuotantopaikkoina. Viljelyyn liittyvät tiedot sidotaan paikkoihin ja työkoneita säädetään näihin kohteisiin yksilöllisesti tehdyn suunnitelman mukaisesti. Tekniikassa on tähän käyttökelpoisia ratkaisuja. Eräs toimiva ratkaisumalli on paikkatietojärjestelmä (GIS) yhdistettynä tiedonkeruuseen, laskentaan ja paikkakohtaiseen säätöön. DGPS satelliittinavigointi sopii tämän järjestelmän paikannusmenetelmäksi. Peltoviljelyssä esiintyviin eri paikannustehtäviin on saatavilla tarpeeksi tarkkoja GPS-laitteita. Paikkakohtainen säätö edellyttää normaalia huomattavasti joustavammin säädettäviä työkoneita. Lisäksi tarvitaan suunnitteluohjelmistoja, jotka käyttävät tuotantopaikkamalleja. Potentiaalisia laitteita ja menetelmiä on jo nyt olemassa kaikkiin paikkakohtaisen säädön osiin. Ongelmaksi muodostuukin niiden yhteenliittäminen toimivaksi järjestelmäksi, joka on myös taloudellisesti kestävällä pohjalla. Tämän jälkeenkin jäämme miettimään, miten tuotantopaikkoja tulisi käsitellä aikaansaadulla järjestelmällä. Kysymys voidaan muotoilla esimerkiksi seuraavasti: mikä on kestävän kehityksen periaatteen mukaista säätöä?

The aims of this work were to get answers to the following three questions: (1) What are the potentialities of coordinate-based field crop production? (2) What are the requirements for the method of attaching field crop information to a coordinate system? (3) What are the possible solutions? The work was focused on the effects of positioning quality. In PDC (Position Dependent Control) positioning is needed to target the inputs and to relate inputs and outputs accurately to each other. Systems analysis was used to accomplish a mathematical model of the position dependent control system. The model developed describes a system which consists of models for the positioning method and the target. An accuracy requirement of ±5 meters for N-fertilization was set with the developed model. The results from Keimola gave information on the variability of soil and wheat yield. Regressions for individual input variables and multiple regressions calculated for whole sample Iines (á 50 m) were low (r2<0.11 and r2<0.15). Attachment of the variation information to coordinate gave regression estimates with r2Žs up to 0.99. Positioning tests in Viikki show adequate accuracy (uncertainty ellipse <25 m2 95%) of DGPS (Differential Global Positioning System) satellite positioning. DGPS was tested both in an accurately measured test route and field tests during drilling. Road tests in covered locations were also made. PDC of plant production gives accurate control over the position fixed production process. The enhanced controllability can he used to adjust the production to meet environmental or economical criteria. The variable requirements for positioning can be set with simulation. The simulations need valid models for the production in the target area. GPS satellite navigation together with a GIS (Geographical Information System) database is a potential technics for the realization of this local control.