فیدیبو نماینده قانونی انتشارات دانشگاه تهران و بیش از ۶۰۰ ناشر دیگر برای عرضه کتاب الکترونیک و صوتی است .
کتاب کشاورزی دقیق

کتاب کشاورزی دقیق

نسخه الکترونیک کتاب کشاورزی دقیق به همراه هزاران کتاب دیگر از طریق فیدیبو به صورت کاملا قانونی در دسترس است.


فقط قابل استفاده در اپلیکیشن‌های iOS | Android | Windows فیدیبو

درباره کتاب کشاورزی دقیق

کشاورزی پایدار و اقتصادی مستلزم تطابق دقیق با شرایط طبیعی و اقتصادی است. تشعشعات خورشیدی، منابع آب طبیعی، خصوصیات خاک و تقاضای بازار، تحت هیچ شرایطی همگن نیستند. حتی در مناطق کوچک یا داخل مزرعه، کیفیت خاک یا شیب زمین متفاوت است. کشاورزان شیوه‌های مخصوص به خود را طی سده‌ها، به‌کار برده‌اند. با ‌وجود این، تفاوت‌های موجود در هر زمینه هم نیازمند توجه است. در مزرعه، به یقین تفاوت‌هایی در خصوصیات خاک، شیب، منابع آبی و توسعۀ محصولات در حالت‌های گوناگون وجود دارد، اما تا زمانی که عملیات مزرعه‌ای به‌صورت دستی یا با تجهیزات کوچک انجام گیرد، کشاورزان راحت‌تر می‌توانند خود را با آن تطبیق دهند. با این‌حال وضعیت مذکور به‌صورت اساسی در سراسر جهان در حال تغییر است، هم اکنون ماشین‌ها با عرض کاری ۴۰ متر در مزارع مشغول به کارند وبه‌طور مشخص این مقدار خیلی بیشتر از گذشته است. تحت این شرایط، کشاورز تماس نزدیک خود را با خاک و محصول از دست می‌دهد. ظرفیت زیاد عملیات ماشینی، سبب برخورد همگن در مزارع بزرگ می‌شود. بنابراین این روش اجرای عملیات روش پایداری تلقی نمی‌شود، چراکه در بیشتر حالت‌ها، نه خاک و نه محصول در مزرعه همگن نیستند. تنظیم دائم و دقیق برای خاک‌های با ویژگی­های متغیر و انجام دادن تنظیمات با توجه به خصوصیات هر نقطه و شرایط محصول در زمین نیازهای محیطی را خیلی بهتر مشخص می‌کند تا از به‌دست آوردن میزان بیشتر محصول اطمینان حاصل شود. این امر برای کشاورزی دقیق به‌صورت موضعی، به‌طور کامل منطقی است. ارتباط مذکور نیازمند تجهیزاتی برای رسیدن به اهداف است. مشاهدات بصری انسان و تنظیماتی که متعاقب آن انجام می‌شود به‌ویژه زمانی که سرعت و عرض کار ماشین بالا می‌رود، سخت‌تر خواهد شد. حسگرها و رایانه‌هایی که سیگنال‌های به‌دست‌آمده از یک موقعیت مکانی خاص را در مورد خاک و محصول جمع‌آوری و پردازش می‌کنند، بر این چالش غلبه می‌کنند. زمانی که در ترکیب با عملگرها – که تنظیمات مورد نیاز ماشین را انجام می­دهند – استفاده شوند، امکان کار خودکار و اصلاح در حال حرکت عملیات زراعی را (که به‌صورت موضعی در حال اجرا هستند) می‌دهند. نتایج سنجش و پردازش انجام گرفته را می‌توان به‌صورت نقشه­های موضعی و زمین‌مرجع شده ذخیره کرد. این اقدام زمانی ضروری است که سنجش پیش از عملیات زراعی مورد نظر انجام می‌پذیرد. مهم­ترین مشکل پیش­رو در این میان انتخاب اصول سنجش و روش­های مناسب پردازش داده­های ورودی است.

ادامه...

بخشی از کتاب کشاورزی دقیق

شما به آخر نمونه کتاب رسیده‌اید، برای خواندن نسخه کامل، کتاب الکترونیک را خریداری نمایید و سپس با نصب اپلیکیشن فیدیبو آن را مطالعه کنید:

۲ -۴ پردازش و تنظیم دقت

یافتن اندازه صحیح دامنه از جهات زیادی مهم است و تعیین اندازه آن برای مراحل مختلف عملیاتی که به صورت دقیق انجام می گیرد، ضروری خواهد بود. دلیل مسئله این است که داشتن اطلاعات مذکور در مراحل مختلف کشاورزی دقیق از مرحله نمونه­برداری، تهیه نقشه­ها تا انجام دادن عملیات ماشینی در مزرعه مهم خواهد بود. واضح است که تمام نمونه برداری­ها باید در محدوده دامنه انجام گیرد و همان طور که پیش تر بحث شد نصف فاصله دامنه یا کمتر شاید به عنوان اندازه سلول در نظر گرفته شود. این مسئله باید در روش­های استفاده شده برای تهیه نقشه­ها و در نهایت برای اندازه سلول هایی که عملیات ماشینی بر اساس آنها صورت می­گیرد مد نظر قرار داده شود. اگر در هر یک از عملیات این اندازه نادیده گرفته شود یا از آن تجاوز شود، دقت عملیاتی که به صورت موضعی انجام می گیرد، از بین خواهد رفت.
سوالی که در اینجا مطرح می شود این است که در کدام یک از مراحل (نمونه برداری، نقشه کشی، عملیات ماشینی و...) کار با سلول­ها با اندازه کوچک دشوارتر است. از آنجا که نمونه برداری از ویژگی های خاک،به طور دستی انجام می پذیرد، نمونه برداری دشوارترین مرحله خواهد بود. اگرچه تلاش­ها و مطالعات در این جهت است که امکان نمونه­برداری از این ویژگی ها به صورت آنلاین فراهم شود که در این صورت روش­های مذکور امکان پایش ویژگی­ها با سلول­های کوچک را فراهم می آورند. تحت این شرایط تعیین اندازه سلول به نحوی که با پهنای ماشین­های موجود تطابق داشته باشد، اهمیت پیدا خواهد کرد.
ترکیب کردن نمونه برداری­های بسیار دقیق یا سنجش­های با دقت زیاد از یک سو و انجام دادن عملیات ماشینی با دقت­های کمتر از سوی دیگر هرگز توصیه نمی­شود. دلیلش این است که کنترل ماشین­ها در صورت استفاده از میانگین سیگنال­ها با دقت زیاد، بسیار باثبات خواهد بود. اگر ماشین­ها به صورت بر خط یا در حال حرکت کنترل شوند، این مرحله میانگین گیری از سیگنال­ها به راحتی در برنامه­های پردازش رایانه ای قابل اجرا خواهد بود. در صورتی که یک نقشه مزرعه­ای برای استفاده های آتی از داده­های نمونه­برداری شده یا سنجش شده ساخته شده باشد، عملیات میانگین­گیری شاید در طول نقشه برداری اتفاق بیفتد.
نمونه­برداری­ها یا پایش اطلاعات از سطح مزرعه اغلب به صورت نقطه­ای(۲۰) انجام می پذیرد، از این رو برای ترسیم نقشه­های پیوسته از این خصوصیات اندازه­گیری شده میان­یابی نیاز خواهد بود. میان یابی از این سیگنال­های نقطه­ای به افتخار زمین شناس آفریقایی دکتر کریگ که در زمینه پردازش این گونه داده­ها برای ترسیم نقشه پیش قدم بوده، روش کریگینگ نام گذاری شده است. البته روش­های کریگینگ متفاوتی برای این محاسبات وجود دارد. همه روش­ها بر این فرض استوار هستند که این ویژگی­ها در فواصل نزدیک، با احتمال بسیار زیادی شبیه هم خواهد بود و با افزایش فاصله، این شباهت کم خواهد شد. اساس این فرض - وابستگی فضایی - مشابه آنچه است که برای نیم­وردایی­ها گفته شد (بخش ۲-۲).
کریگینگ به روش بلوکی و نقطه­ای تقسیم بندی می­شود. نوع انتخاب یکی از این دو روش به اندازه سطح نقشه­ای بستگی دارد که برای آن ویژگی مورد نظر از طریق میان یابی در حال برآورد شدن است. در کرگینگ بلوکی میانگین مقادیر یک بلوک محاسبه شده، اما در روش نقطه­ای تنها مقدار یک نقطه درون سطح مورد نظر در نظر گرفته می­شود. به بیان دیگر روش کریگینگ نقطه­ای مورد خاصی از روش کریگینگ بلوکی است، در زمانی که اندازه بلوک­ها به اندازه نمونه برداری ها یا سنجش­ها نزدیک می­شود (شکل ۲-۶). برای جزییات بیشتر در مورد روش­های میان­یابی و برنامه­های رایانه ای مربوط به Hengl, ۲۰۰۷; Webster and Oliver, ۲۰۰۷; Whelan et al., ۲۰۰۲ مراجعه شود.



شکل ۲-۶ اصول کریگینگ نقطه­ای و بلوکی (Whelan et al., ۲۰۰۲)

یک ویژگی مهم روش بلوک این است که با افزایش سطح بلوک، میزان برآوردها به واقعیت نزدیک تر می­شود. این موضوع به سبب خصوصیات عملیات میانگین­گیری است. البته این مزیت میانگین­گیری در روش کریگینگ بلوکی تا زمانی موثر است که اندازه بلوک­ها از اندازه سلول­هایی که در طول عملیات ماشینی سودمند خواهند بود بیشتر نشود. اگر این اندازه­ بزرگ تر از اندازه سلول شود، میانگین گیری در بلوک ها نتایج غیرواقعی به همراه خواهد داشت، به این دلیل که ویژگی دیگری از میانگین گیری (اثر هم­تراز کنندگی آن(۲۱)) به وجود می آید و سبب خواهد شد تا تفاوت­های موضعی نادیده گرفته شده و در نتیجه عملیات بر روی آنها انجام نگیرد. اما مادامی که بلوک­های کریگینگ کوچک­تر از اندازه سلول­هایی هستند که عملیات ماشینی بر روی آن اجرا می شود، هرگونه اثر هم ترازکنندگی میانگین­گیری به وجود نخواهد آمد زیرا اندازه ماشین­ها به گونه­ای است که عملیات مورد نظر را بر روی بلوک­های مورد نظر اجرا خواهد کرد.
در روش نقطه­ای خطای پردازش در نمونه برداری واقعی وجود نخواهد داشت. گرچه این مزیت شاید دقت کلی را افزایش دهد، مشروط بر این است که عملیات ماشینی هم به صورت نقطه­ای عمل کند. اگر این امکان برای عملیات ماشینی وجود نداشته باشد، روش بلوک در اولویت است.
نقشه­های تهیه شده باید توزیع مکانی ویژگی­های خاک یا محصول را به تصویر بکشند. تاثیر روش نمونه برداری و میان یابی انجام گرفته بر روی نتایج نهایی این نقشه­ها به وضوح دیده می شود؛ به طوری که با استفاده از داده­های یکسان اما روش­های میان یابی متفاوت نقشه­های حاصل بسیار متفاوت خواهند بود (شکل ۲-۷).



شکل ۲-۷ نقشه عملکرد گندم از برداشت موضعی پس از کریگینگ به روش بلوکی و نقطه­ای (Whelan et al., ۲۰۰۲)

میانگین­گیری و برآوردی که با کریگینگ مرتبط است، باید با دقت مکانی مورد نیاز برای عملیات موضعی آتی تنظیم شده باشد. هماهنگی صحیح با روش میانگین­گیری که از اندازه سلول عملیات ماشینی منشا گرفته است، باید به عنوان هدف در نظر گرفته شود. این تنظیم دقت، شاید در طول کنترل بر­خط و در حال حرکت یا در زمان پردازش نقشه­ها صورت پذیرد.
نقشه­های تهیه شده به مثابه پل­های ارتباطی بین عملیات نمونه­برداری و عملیات ماشینی هستند. این ارتباط در مورد ویژگی های خاک یا محصول که دارای دقت زمانی کمی هستند و شاید برای یک بازه زمانی طولانی ثابت باقی بمانند، بسیار سودمند هستند. از این دسته خصوصیات می­توان به شیب زمین، بافت خاک، ماده آلی خاک و میزان اسیدی بودن آن اشاره کرد که شاید در بازه زمانی طولانی ثابت بمانند.
البته ویژگی­هایی از خاک یا محصول نیز وجود دارد که دقت زمانی بسیاری دارند و به سرعت تغییر می کند. از این دسته خصوصیات می­توان به محتوای رطوبت و نیترات موجود در خاک و محصول اشاره کرد. پس در مورد این خصوصیات، تغییرات زمانی نسبت به تغییرات مکانی بسیار مهم تر است (McBratney and Whelan, ۱۹۹۹) و نقشه های تهیه شده از این خصوصیات باید با دقت و توجه به این نکته استفاده شوند.

منابع

Cemek B, Güler M, Kilic K, Demir Y, Arslan H(2007) Assessment of spatial variability in some soil properties as related to soil salinity and alkalinity in Bafra plain in Northern Turkey. Environ Monit Assess 124:223–234
Davis JC (1973) Statistics and data analysis in geology. Wiley, New York
Gringarten E, Deutsch CV (2001) Teacher’s aide. Variogram interpretation and modelling. Math Geol 33(4):507–534
Han S, Hummel JW, Goering CE, Cahn MD (1994)Cell size selection for site-specific crop management. Trans Am Soc Agric Eng 37(1):19–26
Hengl T (2007) A practical guide to geostatistical mapping of environmental variables. JRC scientific and technical reports. European Commission. JRC Ispra, Ispra. http://ies.jrc.ec.europa.eu
Kerry R, Oliver MA (2004) Average variograms to guide soil sampling. Int J Appl Earth Obs Geoinform 5:307–325
Kerry R, Oliver MA (2008) Determining nugget: sill ratios of standardized variograms from aerial photographs to krige sparse soil data. Precis Agric 9:33–56
Matheron G (1963) Principles of geostatistics. Econ Geol 58:1246–1266
McBratney AB, Pringle MJ (1999) Estimating average and proportional variograms of soil properties and their potential use in precision agriculture. Precis Agric 1:125–152
McBratney AB, Whelan BM (1999) The “null hypothesis” of precision agriculture. In: Stafford JV(ed) Precision agriculture ‘99. Part 2. Sheffield Academic Press, Sheffield, pp 947–957
Oliver MA (1999) Exploring soil spatial variation geostatistically. In: Stafford JV (ed) Precision agriculture ‘99. Part 1. Sheffield Academic Press, Sheffield, pp 3–17
Russo D, Bresler E (1981) Soil hydraulic properties as stochastic processes: I. An analysis of field spatial variability. Soil Sci Soc Am J 45:682–687
Solie JB, Raun WR, Whitney RW, Stone ML, Ringer JD (1992) Optical sensor based field element size and sensing strategy for nitrogen application. Trans Am Soc Agric Eng 39(6):1983–1992
Tollner EW, Schafer RL, Hamrita TK (2002)Sensors and controllers for primary drivers and soil engaging implements. In: Upadhyaya SK et al(eds) Advances in soil dynamics, vol 2. ASAE, St. Joseph, p 182
Webster R, Oliver MA (2007) Geostatistics for environmental scientists, 2nd edn. Wiley, Chichester
Whelan BM, McBratney AB, Minasny B (2002)VESPER 1.5 – Spatial prediction software for precision agriculture. In: Robert PC, Rust RH, Larson WE (eds) Proceedings of the 6th international conference on precision agriculture, Madison

فصل دوم

غیریکنواختی در مزارع: اصول تحلیل­ها

چکیده

کشاورزی اقتصادی و پایدار نیازمند تطبیق دقیق با تغییرات خاک و ویژگی­های گیاه درون مزرعه است. از این رو عملیات زراعی باید با این تغییرات اتفاق افتاده درون مزرعه به صورت موضعی سازگار شود. پرسش مهم در اینجا این است که بر اساس چه دقت مکانی یا سلول با چه اندازه­ای این تغییرات باید انجام شود. منطقی خواهد بود اگر انتظار داشته باشیم که این تنظیمات به تغییرات مکانی خاک یا ویژگی­های محصول وابسته باشد. از این رو، نشان داده می­شود که چگونه اندازه سلول­های مورد نیاز از نیم­وردایی­ها(۲) و توابع مکمل آنها استخراج می­شوند. از این رو زمانی که اندازه مناسب سلول تشخیص داده شد، انجام دادن هیچ یک از عملیات آتی مانند نمونه­برداری، تهیه نقشه یا عملیات ماشین­های کشاورزی نباید از این اندازه تجاوز کند.
واژه های کلیدی: اندازه سلول، کریگینگ، دقت، نیم­وردایی، نیم­تغییرنما

۲ -۱ تغییرات و دقت

یکی از مواردی که در سطح مزارع کشاورزی به چشم می­آید، عدم یکنواختی مزارع و زمین­هاست (شکل ۲-۱). به ویژه اگر از دید یک متخصص و با نگاه دقیقی به ویژگی­های خاک و محصول توجه شود؛ این عدم یکنواختی به وضوح دیده خواهد شد. بسیاری از ویژگی­های خاک و محصول در سطح مزارع متغیر هستند. از آن جمله می­توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
۱- بافت و PH خاک؛
۲- محتوای ماده آلی، رطوبت و مواد معدنی؛
۳- شیب و جهت خاک؛
۴- تراکم و شکل محصول؛
۵- محتوای رطوبتی و معدنی محصول؛
۶- آلودگی به علف­های هرز و آفات.



شکل ۲-۱ تصویر هوایی از یک سطح زراعی

امروزه امکان شناسایی و ثبت بسیاری از این موارد با روش­های سنجش پیشرفته و در قالب کشاورزی دقیق و به صورت موضعی وجود دارد. سوالی که در اینجا مطرح می شود این است که تغییرات مذکور در ویژگی­های خاک و محصول چگونه امکان تشخیص و شناسایی دارد.
تغییرات ویژگی­های خاک و محصول درون مزرعه به شیوه­های مختلفی اتفاق می افتد. به عنوان مثال این تغییرات شاید دارای یک الگوی به طور کامل تصادفی(۳) باشد که در آن احتمال رویت هر گونه ویژگی خاک یا محصول در هر نقطه از مزرعه وجود دارد یا شاید دارای الگوی تو در تو(۴) باشد به این معنا که ضمن اینکه کل سطح مزرعه از نظر ویژگی خاصی غیریکنواخت است، این ویژگی در جهاتی رو به افزایش یا کاهش باشد. به عنوان مثال محتوای رس در کل سطح مزرعه متغیر بوده اما در مناطق خاصی و در یک جهت خاص، در حال افزایش و در جهت دیگری در حال کاهش است.
بنابراین همان­گونه که در شکل ۲-۲ دیده می­شود تغییرات مکانی همبسته یا ناهمبسته هستند، بسته به اینکه نحوه تغییرات این متغیر­ها نسبت به فاصله آنها از هم چگونه باشد. هرچند مقیاس فاصله­ای که در نظر گرفته می­شود شاید بسیار متغیر باشد. اگر چنین بود، نحوه ظاهر شدن تغییرات متفاوت می شود. چیزی که در یک مقیاس، خیلی پراکنده به نظر می­رسد شاید در مقیاس دیگری دارای ساختار منظم تشخیص داده شود. به همین دلیل است که مشاهدات صورت گرفته با میکروسکوپ بسیار شگفت­انگیز است.



شکل ۲-۲ انواع تغییر فضایی در یک نمودار بی­بعد

بر این اساس نیاز است تا پیش از هر چیز تعریف دقیقی از دقت(۵) داشته باشیم. دقت در اینجا به معنای تقسیم بندی ویژگی های فیزیکی مانند اندازه سطح مزرعه، زمان یا واحد­های اندازه­گیری مربوط به سیگنال­های دریافتی از یک حسگر است (شکل ۲-۳). یکی از انواع دقت­ها، دقت زمانی(۶) است. بافت و ماده آلی خاک به ندرت در طول زمان تغییر می­کنند، پس ویژگی­هایی از این دست شاید یک بار اندازه گیری و در قالب نقشه­های مزرعه برای دوره زمانی طولانی استفاده شوند. اما در مورد ویژگی­های دیگری مثل محتوای رطوبتی، میزان ازت خاک و نیاز به سموم شیمیایی در طول دوره رشد شرایط به وطور کامل متفاوت است. برای این موارد نیازمند سامانه­های کنترلی هستیم که مطابقت­ها را در لحظه انجام دهند، به این معنا که کنترل و تنظیمات بلافاصله بعد از مشاهده و در زمان عملیات به صورت آنی انجام پذیرد.
دقت سیگنال(۷) معرف مقادیر فیزیکی است که سنجش می شود. در مورد سنجش­های طیفی پهنای باند امواج در ناحیه مرئی یا فروسرخ مهم هستند و شاید بسیار متفاوت باشد (شکل ۲-۳).



شکل ۲-۳ دقت زمانی، مکانی و سیگنال کم، متوسط و زیاد

دقت دیگری که در کشاورزی دقیق مطرح است و هدف کشاورزی دقیق رسیدن به سطح بالایی از آن خواهد بود، دقت مکانی(۸) است که از آن با عبارت "اندازه سلول"(۹) نیز یاد می کنند و عبارت است از سطحی که برای تمام آن سطح عملیات زراعی مورد نظربه طور یکنواخت در نظر گرفته می­شود. پس دقت مکانی کم به معنای اندازه سلول بزرگ است و برعکس. در کشاورزی­های سنتی هر مزرعه به عنوان یک اندازه سلول در نظر گرفته می­شود، به این معنا کهبه طور مثال برای تمام نقاط مزرعه مقدار یکسانی کود در نظر گرفته می شود. با این نگرش چنانچه اندازه مزارع و عملیات ماشینی کنونی حفظ شود، کوچک ترین اندازه سلول عبارت خواهد بود با سطحی که مترادف با عرض کار ماشین است. به عنوان مثال اگر عرض کار ماشین ۲۰ متر باشد، اندازه سلول ۲۰ * ۲۰ یا ۴۰۰ متر مربع خواهد بود. اما اگر استفاده از ربات­ها در مزارع به واقعیت بپیوندد، این امکان فراهم خواهد شد که بیشترین میزان دقت (که یک گیاه یا برگ گیاه است) به عنوان اندازه سلول در نظر گرفته شود.
اما موارد ذکرشده بر اساس قابلیت­های فنی­ ماشین­های کشاورزی است، البته در صورتی که مولفه های کنترل وجود داشته باشند. روش بهتر برای این منظور آن است که میزان دقت بر اساس ویژگی­های خاک یا محصول تعیین و در کنار آن امکانات فنی نیز در نظر گرفته شوند.
اگر ویژگی­های خاک و محصول در سطح مزرعه یکسان باشند، دیگر به اعمال کشاورزی دقیق و اجرای موضعی عملیات نیازی نخواهد بود، اما هر چه میزان این تغییرات بیشتر شود، اندازه سلول­ها باید کوچک­تر انتخاب شود. سوالی که مطرح می­شود این است که چگونه اندازه مناسب سلول بر اساس تغییرات خصوصیات خاک یا محصول تعیین می شود. بی تردید شاخص­های آماری خاک و محصول (مانند انحراف معیار) در این زمینه راهگشا نخواهند بود، چون که این معیارها مستقل از مکان هستند. شاخص­ آماری که به مسافت درون مزرعه وابسته است و برای این منظور تعریف شده، نیم وردایی(۱۰) است که به نمودار ترسیمی آن نیز نیم­تغییرنما(۱۱) گفته می­شود.

۲-۲ نیم­وردایی و نیم­تغییرنما

مفهوم نیم­وردایی و نیم­تغییرنما از نظریه متغیر­های منطقه بندی شده ماترون الهام گرفته شده است (Materons, ۱۹۶۳). این نظریه می گوید که تفاوت­های موجود بین متغیر­های فضایی درون مزرعه مانند ویژگی­های خاک یا محصول به فاصله بین نقاط بستگی­دارد. به طور خلاصه می­توان گفت بر اساس این نظریه هر چه فاصله بین نقاط کمتر باشد تفاوت بین متغیر­ها نیز کمتر خواهد بود. به عبارت دیگر نیم وردایی بیان می­کند که تفاوت مقادیر یک ویژگی خاک یا محصول در دو نقطه مختلف، تابعی از فاصله بین آنهاست.
v = (1/2N)[f(x+h)-f(x)]2
در این رابطه x و x+h بیانگر مکان هایی هستند که متغیر مورد نظر اندازه­گیری شده و (f(x و (f(x+h نیز میزان کمّی ویژگی اندازه­گیری شده را در این دو نقطه نشان می­دهد.
فرمول نیم­وردایی در حقیقت همان فرمول وردایی است، با این تفاوت که در فرمول نیم­وردایی داده­ها به صورت جفت شده بوده و به مسافت و جهت وابسته است. بسیاری از منحنی­های نیم­وردایی (نیم­تغییرنما­ها) محدودشده هستند به این معنا که در نهایت به یک مجانب ختم می­شوند (شکل ۲-۴). این خط مجانب، وردایی محدودشده(۱۲) نامیده می شود. البته یادآوری می شود که تغییرنما­های بیکران (محدودنشده) هم شاید وجود داشته باشد. توجه شود که نیم تغییرنما­ها به وردایی محدودشده استاندارد می­شوند.



شکل ۲-۴ نیم­وردایی، تغییرنما و وردایی قطعه­ای (Oliver, ۱۹۹۹)

فاصله­ای که در آن وردایی محدودشده اتفاق می­افتد، دامنه(۱۳) نامیده می­شود (شکل ۲-۵). چون برای تعیین دامنه از خط مجانب کمک گرفته می­شود، در عمل تنها ۹۵ درصد فاصله­ای که وردایی محدودشده حاصل می شود را به عنوان دامنه در نظر می­گیرند (Tollner et al., ۲۰۰۲). تمام نقاطی که به وسیله فاصله­های کمتر از دامنه از هم جدا شده­اند، از نظر مکانی همبسته اند، یعنی تحت تاثیر فاصله قرار دارند. برای فاصله­هایی که بیش از دامنه است، نقاط از هم مستقل اند. این دو نکته بسیار مهم است، چون هر عملیاتی که به صورت کشاورزی دقیق و بر اساس سلول­های مربعی و با اضلاع بزرگ تر از دامنه باشد، بی­ثمر خواهد بود. علت این است که با سلول­هایی دارای این اندازه، قادر نخواهیم بود تفاوت­های ناحیه­ای ویژگی های خاک یا محصول را شناسایی کنیم. بنابراین فاصله کنترل که برای عملیات کشاورزی دقیق انجام می­گیرد باید کوچک تر از دامنه تغییرنما­ها باشد. اندازه دامنه شاید بسته به شرایط مختلف بسیار متفاوت باشد. در بسیاری از موارد شاید کمتر از یک متر بود، و در موارد دیگری حتی تا ۲۶ کیلومتر هم گزارش شده است. امابه طور کلی مقادیر بین ۲۰ تا ۱۱۰ متر به وفور برای دامنه گزارش شده اند.



شکل ۲-۵ نیم­وردایی، تابع مکمل و حد بالای اندازه سلول

از دیدگاه نظری تغییرنما­ها با وردایی صفر و فاصله صفر شروع می­شوند، اما در واقعیت این مسئله به ندرت اتفاق می­افتد. در واقعیت حتی در فاصله صفر هم مقداری وردایی وجود خواهد داشت. این وردایی را وردایی قطعه­ای(۱۴) می­نامند. پس دو عاملی که سبب ایجاد قطعه­ای شدن خواهد شد، عبارتند از تغییرات عوامل اندازه­گیری شده در فاصله­های کمتر از فاصله نمونه­گیری و خطاهای اندازه­گیری. در حالت­های بسیار نادری اتفاق می­افتد که فقط قطعه­ای شدن وجود داشته باشد که یعنی هر عملیات کشاورزی دقیق دست کم بر اساس این ویژگی اندازه­گیری شده بی­فایده است.

۲ -۳ اندازه­های سلول

دانستن اینکه سلول­های مربعی باید دارای اضلاعی با ابعاد بین صفر تا دامنه باشند، کافی نیست. سلول­های بسیار کوچک سبب افزایش هزینه و سلول­های بسیار بزرگ موجب کاهش دقت می­شوند. از طرف دیگر با نصف شدن اندازه طول هر سلول، تعداد سلول­هایی که در عمل با آن مواجه خواهیم شد، چهار برابر خواهد شد. پس اطلاعات دقیق­تری خواهد بود تا اندازه دقیق سلول­ها را مشخص کنیم. این اطلاعات را می­توان از تغییرنما­ها به دست آورد (شکل ۲-۵).
شیوه جالبی برای تعیین این اندازه به وسیله پژوهشگران پیشنهاد شده است (Russo and Bresler, ۱۹۸۱; Han et al., ۱۹۹۴). این روش­ها از این ایده گرفته شده است که نیم­تغییرنما­ها در حقیقت شاخص­های عدم تشابه(۱۵) ویژگی­های خاک یا محصول برای عملیات کشاورزی دقیق هستند، پس تابع مکمل تغییرنما­ها نیز اطلاعاتی درباره شباهت(۱۶) یا وابستگی­ها(۱۷) فراهم می­کند. هنگامی که تغییرنماها به صورت نرمال شده ترسیم می شوند، برای هر نقطه خاص حاصل جمع نیم­وردایی و مقدار متناظر آن نقطه در نمودار مکمل نیم­وردایی عدد یک خواهد شد. بنابراین تابع مکمل در حقیقت تصویر عمودی منحنی نیم­وردایی است (شکل ۲-۵). می­توان نشان داد که این تابع مکمل نیم­وردایی، یک تابع شناخته شده آماری به نام هم­وردایی است (Davis, ۱۹۷۳; Gringarten and Deutsch, ۲۰۰۱). در مقایسه با آن، مقدار وردایی محدودشده در منحنی نیم­تغییرنما، وردایی استاندارد شده است که بیانگر همبستگی صفر خواهد بود. بنابراین، نیم­وردایی عبارت است از تفاضل بین وردایی استاندارد و هم وردایی.
سطح زیر منحنی تابع مکمل نیم­وردایی شاید شباهت خصوصیات خاک یا محصول در نظر گرفته شود. محاسبات عددی آن نیز از طریق انتگرال­گیری از معادله تابع مکمل بین صفر و دامنه انجام می پذیرد. سطح انتگرال گیری شده در شکل ۲-۵ به صورت هاشورخورده نشان داده شده است.
زمانی که در نقاط مختلف تفاوت وجود دارد، از دیدگاه نظری تنها سلول­ها با اندازه طول صفر یکنواخت هستند، اما در عمل این اندازه باید با عددی بین صفر و دامنه تعیین شود. برای تعیین این اندازه روش­های مختلفی پیشنهاد شده است (Russo and Bresler, ۱۹۸۱; Han et al., ۱۹۹۴). یکی از این روش­ها اینکه در نمودار مکمل نیم وردایی مستطیلی در نظر گرفته شود که طول ضلع آن برابر ­وردایی محدود شده باشد و عرض آن به گونه­ای تعیین شود که مساحت این مستطیل با مقدار انتگرال محاسبه شده برابر شود. با این روش حداکثر اندازه سلول(۱۸) با طول ضلع مستطیل ترسیمی بر روی محور افقی برابر خواهد شد (شکل ۲-۵). هر اندازه سلولی بزرگ تر از این میزان سبب همپوشانی میان نقاطی می­شود که عدم تشابه دارند که نتیجه آن کاهش دقت در عملیات کشاورزی دقیق است. این حد بالای اندازه سلول بیانگر دورترین فاصله ای است که برای آن ویژگی­های خاک یا محصول به خوبی همبسته هستند.
همچنین واضح است که حد بالای اندازه سلول به فاصله دامنه وابستگی زیادی دارد. از این رو روش دیگری که برای تعیین اندازه سلول پیشنهاد شده، انتخاب نصف فاصله دامنه به عنوان حداکثر اندازه سلول است (Kerry and Oliver, ۲۰۰۴, ۲۰۰۸). بر این اساس، اندازه­ای کوچک تر از نصف دامنه به طور تقریبی معادل حد اندازه سلول خواهد بود.
نکته شایان ذکر این است که اندازه سلول تنها پس از تعیین و ترسیم نیم­وردایی امکان محاسبه دارد. مشکل اینجا پیش می آید که اندازه سلول­ها برای نمونه برداری از ویژگی­های خاک یا محصول باید از قبل مشخص باشد تا بتوانیم به سطح قابل اعتمادی از دقت برای عملیات آتی دست یابیم. اگر نمونه گیری­ها بر اساس سلول­هایی با ابعاد بسیار بزرگ انجام می پذیرد، هیچ گونه محاسبه­ای که پس از آن برای عملیات کشاورزی دقیق انجام می­شود اطمینان پذیر نخواهد بود. تعیین دقت باید بر اساس تغییرپذیری در خصوصیات خاک یا محصول باشد. این تعیین دقت باید در اولین عملیات انجام گیرد، در غیراین صورت کنترل دقیقی بر عملیات آتی نخواهیم داشت. واضح است که منظور از اولین عملیات همان نمونه برداری از ویژگی­های خاک یا محصول است.
دو راه حل برای فرار از این مشکل توصیه شده است. نخست اینکه نمونه برداری­ها با دقت بسیار زیاد انجام گیرند. این روش زمانی ممکن خواهد بود که از حسگرها و سنجش به صورت برخط استفاده می­شود که امکان رسیدن به این دقت زیاد را فراهم می­آورد. راه حل دوم استفاده از سلول­ها با اندازه های استاندارد و پیش­فرض برای عملیات نمونه­برداری است. این روش زمانی استفاده می­شود که نمونه­برداری­ها به صورت دستی انجام می­گیرد. به عنوان مثال در روش­های سنتی نمونه برداری از خاک و برای تعیین بافت یا مواد غذایی خاک. از آنجا که این نمونه برداری­ها به صورت دستی و به وسیله تعداد زیادی نیروی انسانی انجام می­گیرد، دقت کافی را (نسبت به روش­های پایش و اندازه­گیری آنلاین) ندارد. واضح است اطلاعات در مورد اندازه سلول­ها برای انجام دادن عملیات نمونه برداری باید بر اساس تغییرنما­هایی باشد که پیش از این برای مزارع با شرایط مشابه ترسیم شده است. برای این منظور تغییرنما­های استانداردی(۱۹) با دقت بسیار زیاد ترسیم شده اند که شاید استفاده شوند (Kerry and Oliver, ۲۰۰۴, ۲۰۰۸; McBratney and Pringle, ۱۹۹۹). این نیم تغییرنما­های استاندارد بر اساس نمونه­برداری­ها با دقت­های بسیار زیاد ترسیم شده­اند. از این رو قادر هستند تا اندازه سلول پیش­فرض را برای نمونه برداری­های موضعی آتی فراهم کنند.
این نکته باید مد نظر قرار بگیرد که نیم­تغییرنما­هایی اعتمادپذیرند که دست کم بر اساس صد نمونه ترسیم شده باشند. نسبت وردایی قطعه­ای به وردایی محدود شده در نیم­تغییرنما­های استاندارد باید با نسبت برآورد شده از مزرعه مورد نظر مطابق داشته باشند (Kerry and Oliver, ۲۰۰۸).
لفظ نیم­تغییرنما­های استاندارد نباید این حقیقت را بپوشاند که این منحنی­ها برای هر مزرعه با هم تفاوت دارند. اما نمونه برداری دقیق و مدیریت موضعی بر نیم­تغییرنما­های ترسیم شده متکی است. اگر در این نیم­تغییرنما­ها اندازه سلول از نصف دامنه­ای که در بالا بیان شد (Kerry and Oliver, ۲۰۰۴, ۲۰۰۸)، کوچک­تر باشد، آنگاه کدام دامنه برای ویژگی­های خاک و محصول اتفاق خواهد افتاد؟
به واقع، دامنه­هایی که در تحقیقات مختلف بر روی نیم­تغییرنما­ها به دست آمده است، بسیار متغیر بوده­اند. در بسیاری از موارد این دامنه­ها کمتر از یک متر بوده اند (Solie et al., ۱۹۹۲) و در موارد دیگری نیز تا ۲۶ کیلومتر (Cemek et al., ۲۰۰۷) ثبت شده­اند. هرچند اندازه دامنه برای ویژگی های خاک و محصول در اکثر موارد بین ۲۰ تا ۱۱۰ متر است (McBratney and Pringle, ۱۹۹۹). بنابراین برای بیشتر اندازه سلول­ها، حد بالای اندازه طول سلول ۱۰ تا ۵۵ متر بوده است. هر چند این اندازه هنوز هم به نسبت زیاد به نظر می­رسد. بنابراین، برای تعریف اندازه دقیق سلول از روی نیم تغییرنماهای استاندارد، استنتاج­های دقیق ضروری خواهد بود.

فصل اول

مقدمه

کشاورزی پایدار و اقتصادی مستلزم تطابق دقیق با شرایط طبیعی و اقتصادی است. تشعشعات خورشیدی، منابع آب طبیعی، خصوصیات خاک و تقاضای بازار، تحت هیچ شرایطی همگن نیستند.
حتی در مناطق کوچک یا داخل مزرعه، کیفیت خاک یا شیب زمین متفاوت است. کشاورزان شیوه های مخصوص به خود را طی سده ها، به کار برده اند. با وجود این، تفاوت های موجود در هر زمینه هم نیازمند توجه است. در مزرعه، به یقین تفاوت هایی در خصوصیات خاک، شیب، منابع آبی و توسعه محصولات در حالت های گوناگون وجود دارد، اما تا زمانی که عملیات مزرعه ای به صورت دستی یا با تجهیزات کوچک انجام گیرد، کشاورزان راحت تر می توانند خود را با آن تطبیق دهند.
با این حال وضعیت مذکور به صورت اساسی در سراسر جهان در حال تغییر است، هم اکنون ماشین ها با عرض کاری ۴۰ متر در مزارع مشغول به کارند وبه طور مشخص این مقدار خیلی بیشتر از گذشته است. تحت این شرایط، کشاورز تماس نزدیک خود را با خاک و محصول از دست می دهد. ظرفیت زیاد عملیات ماشینی، سبب برخورد همگن در مزارع بزرگ می شود. بنابراین این روش اجرای عملیات روش پایداری تلقی نمی شود، چراکه در بیشتر حالت ها، نه خاک و نه محصول در مزرعه همگن نیستند. تنظیم دائم و دقیق برای خاک های با ویژگی­های متغیر و انجام دادن تنظیمات با توجه به خصوصیات هر نقطه و شرایط محصول در زمین نیازهای محیطی را خیلی بهتر مشخص می کند تا از به دست آوردن میزان بیشتر محصول اطمینان حاصل شود. این امر برای کشاورزی دقیق به صورت موضعی، به طور کامل منطقی است.
ارتباط مذکور نیازمند تجهیزاتی برای رسیدن به اهداف است. مشاهدات بصری انسان و تنظیماتی که متعاقب آن انجام می شود به ویژه زمانی که سرعت و عرض کار ماشین بالا می رود، سخت تر خواهد شد. حسگرها و رایانه هایی که سیگنال های به دست آمده از یک موقعیت مکانی خاص را در مورد خاک و محصول جمع آوری و پردازش می کنند، بر این چالش غلبه می کنند. زمانی که در ترکیب با عملگرها – که تنظیمات مورد نیاز ماشین را انجام می­دهند – استفاده شوند، امکان کار خودکار و اصلاح در حال حرکت عملیات زراعی را (که به صورت موضعی در حال اجرا هستند) می دهند. نتایج سنجش و پردازش انجام گرفته را می توان به صورت نقشه­های موضعی و زمین مرجع شده ذخیره کرد. این اقدام زمانی ضروری است که سنجش پیش از عملیات زراعی مورد نظر انجام می پذیرد.
مهم­ترین مشکل پیش­رو در این میان انتخاب اصول سنجش و روش­های مناسب پردازش داده­های ورودی است. در گذشته مفاهیم گسترده­ و گزینه­های متنوعی برای بسیاری از عملیات زراعی تحقیق، توسعه و تحلیل شده اند که از آن­ جمله می­توان به خاک­ورزی، کاشت، کوددهی، آبیاری و برداشت اشاره کرد. نتایج این تحقیقات گسترده علمی در مجلات و کتابچه­های کنفرانس­های علمی به چاپ رسیده­ است. برای علاقه­مندان به مبحث کشاورزی دقیق، گستردگی و تنوع بسیاری در این زمینه وجود دارد.
این گسستگی مطالب، شاید برای مباحث علمی جدید که در حال گسترش و کاربرد هستند، اجتناب ناپذیر باشد. اما، این زمینه جدید، به بررسی اجمالی(۱) نیاز دارد که خود، مرور سریع را ممکن می کند.
واضح است که نگرش عمومی در استفاده از روش­های پیشرفته کشاورزی بسیار متفاوت است. تنها بخشی از جامعه، روش های پیشرفته کشاورزی را پذیرا هستند و از آن استقبال می­کنند. بخش شایان توجهی از مردم روش­های پیشرفته و با فناوری­های سطح بالا را (به دلیل بارهایی که بر محیط زیست و جامعه تحمیل می­کنند) سرزنش می­کنند. به ویژه کودهای شیمیایی، علف کش ها، قارچ کش ها و حشره کش ها که برای تولید محصول بیشتر لازم هستند به عنوان آلاینده­های زیست محیطی در نظر گرفته می­شوند.
خوشبختانه، استفاده موضعی از مواد شیمیایی کشاورزی، در یک زمین مشخص، امکان کاهش مواد شیمیایی مورد نیاز را فراهم کرده، درحالی که میزان عملکرد را ثابت نگه می دارد یا افزایش می­دهد. کارایی استفاده از مواد شیمیایی را به این شیوه می توان بهبود بخشید. در حالت کلی، همین رویه را می توان برای کارایی انرژی ورودی، بذر و آب هم انجام داد.
به طور خلاصه می­توان بیان داشت این کتاب در نظر دارد تا نشان دهد کشاورزی دقیقبه طور شایان توجهی به افزایش عملکرد در واحد سطح و نیز حفاظت از محیط­زیست کمک می کند.
دست و پنجه نرم کردن با مسائل تکنیکی کشاورزی دقیق در افق های تعیین شده این کتاب نیست. به دلیل وفور گزینه های جایگزین نمی توان همه آنها را در این کتاب جای داد. در عوض، این کتاب با هدف توضیح منطق های موجود در مورد علوم کشاورزی، اصول سنجش و فیزیک آن، پیش زمینه بیولوژیکی، شیمیایی و احتمالات موجود در مهندسی کشاورزی و مدیریت آن، بخش بندی شده است. این مجموعه کتابی است برگرفته از مفاهیم میان رشته ای علوم کشاورزی و نظام مرتبط با آن.

نظرات کاربران درباره کتاب کشاورزی دقیق