Walidacja terenowa spektroskopii NIR w kombajnie do analizy ziarna pszenicy

Ocena dokładności w rzeczywistych warunkach Zbioru

Charakterystyka jakości ziarna podczas zbiorów tradycyjnie opierała się na dyskretnym pobieraniu próbek, a następnie analizie laboratoryjnej. Chociaż podejście to zapewnia dokładne pomiary na poziomie próbki, z natury nie uwzględnia ono zmienności przestrzennej, która charakteryzuje większość pól uprawnych. W konsekwencji, uzyskane dane często przedstawiają przeciętne warunki, a nie prawdziwą niejednorodność zebranych plonów.

W tym kontekście spektroskopia w bliskiej podczerwieni(NIR) zintegrowana bezpośrednio z maszynami rolniczymi stanowi zmianę paradygmatu. Umożliwiając ciągłą analizę przepływu ziarna w czasie rzeczywistym, systemy NIR na kombajnie zapewniają znacznie większą gęstość danych i bardziej reprezentatywny opis zmienności pola.

Niniejsze badanie ma na celu walidację wydajności systemu EVONIR w rzeczywistych warunkach Zbioru, porównując pomiary in-line z referencyjnymi analizami laboratoryjnymi.

Materiały i metody

Test terenowy został przeprowadzony w lipcu 2022 r. w północnych Niemczech na zbiorze pszenicy przy użyciu kombajnu zbożowego New Holland CR8.90. Czujnik EVONIR został zainstalowany na elewatorze zbożowym, umożliwiając bezpośrednią analizę całego przepływu ziarna podczas zbiorów. EVONIR został podłączony za pośrednictwem ISOBUS do VT kombajnu.

Zbieranie danych odbywało się w sposób ciągły w trakcie całego procesu zbioru, w wyniku czego uzyskano łącznie 1190 punktów danych NIR. Równolegle, 23 próbki ziarna zostały zebrane ręcznie w pozycjach georeferencyjnych na całym polu i przeanalizowane przez akredytowane laboratorium (LUFA), które posłużyło jako metoda referencyjna.

Parametry oceniane w tym badaniu obejmowały suchą masę (DM), białko surowe (CP), popiół i tłuszcz surowy (CF). Dla każdego punktu pobierania próbek pomiary NIR zostały zagregowane w odpowiednim oknie przestrzennym i porównane z wynikami laboratoryjnymi w celu ilościowego określenia odchyleń między tymi dwiema metodami.

Wyniki po wyjęciu z pudełka

Ciągłe pomiary uzyskane z systemu EVONIR wyraźnie podkreślają obecność znacznej zmienności wewnątrz pola. Parametry takie jak wilgotność i zawartość białka wykazywały zauważalne wahania wzdłuż ścieżki zbioru, potwierdzając, że jakość ziarna nie jest równomiernie rozłożona na polu.

Te zmiany, które występują w skali przestrzennej znacznie mniejszej niż typowa siatka próbkowania, nie mogą być odpowiednio uchwycone za pomocą konwencjonalnych metod próbkowania. W rezultacie zestaw danych wygenerowany przez system NIR zapewnia znacznie bogatszy i bardziej szczegółowy opis zbiorów.

Porównując pomiary NIR z wynikami laboratoryjnymi przy użyciu standardowej kalibracji fabrycznej, średnie odchylenia wyniosły -0,63 dla suchej masy, -0,88 dla białka surowego, -0,75 dla popiołu i +0,79 dla tłuszczu surowego. Wartości te wskazują na stosunkowo niskie odchylenie we wszystkich parametrach, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że na tym etapie nie zastosowano kalibracji specyficznej dla terenu.

Tabela wyników: Średnie odchylenie między laboratorium a EVONIR ze standardową kalibracją Dinamica Generale, nieskorygowane porównanie wyników z LAB.

Wyniki po kalibracji

Wyniki tego badania pokazują, że spektroskopia NIR na linii produkcyjnej może osiągnąć poziom dokładności, który jest w pełni zgodny z operacyjnym procesem decyzyjnym, nawet przy użyciu ogólnego modelu kalibracji. Zaobserwowane odchylenia są zgodne z typowymi oczekiwaniami dla pomiarów spektroskopowych inline i mogą być dodatkowo zmniejszone poprzez lokalne korekty kalibracji.

Po zastosowaniu procedury dostrajania opartej na ograniczonej liczbie próbek laboratoryjnych, odległość między NIR a danymi laboratoryjnymi znacznie się poprawiła, potwierdzając skuteczność łączenia globalnych modeli kalibracyjnych z lokalnym udoskonalaniem.

Tabela wznowień: Średnie odchylenie między LAB i EVONIR po dostrojeniu

Poza względami dokładności, najistotniejszym wynikiem tego badania jest zdolność systemu NIR do uchwycenia prawdziwej zmienności pola. Podczas gdy analiza laboratoryjna dostarcza precyzyjnych, ale skąpych informacji, ciągły charakter pomiarów NIR pozwala na generowanie map jakości o wysokiej rozdzielczości, które można bezpośrednio wykorzystać do podejmowania decyzji agronomicznych i logistycznych.

Z perspektywy agronomicznej umożliwia to dokładniejsze zrozumienie dystrybucji azotu i zmienności białka, wspierając strategie nawożenia o zmiennej dawce w kolejnych sezonach. Z logistycznego punktu widzenia, monitorowanie jakości w czasie rzeczywistym pozwala operatorom segregować strumienie ziarna w oparciu o określone progi jakości, optymalizując przechowywanie i maksymalizując wartość ekonomiczną.

Wnioski

Walidacja w terenie potwierdza, że system EVONIR jest w stanie zapewnić wiarygodne i spójne pomiary jakości ziarna bezpośrednio podczas zbiorów. Nawet przy standardowej kalibracji system wykazuje dobry poziom zgodności z danymi laboratoryjnymi, który można dodatkowo poprawić poprzez minimalne korekty kalibracji.

Co ważniejsze, badanie podkreśla fundamentalną przewagę pomiarów ciągłych nad dyskretnym pobieraniem próbek. Analizując cały przepływ ziarna, a nie izolowane próbki, systemy NIR typu on-combine zapewniają dokładniejsze i bardziej kompleksowe odwzorowanie warunków terenowych.