V 21. století vyvstalo mnoho nových problémů, zároveň jich bylo mnoho vysvětleno vědeckými objevy v důsledku technologického rozvoje. Žijeme ve světě zvyšující se populace a to je výzvou pro hledání cest k udržení půdní úrodnosti, řešení nedostatku vody v mnoha částech světa, stoupají nároky na kvalitu a ochranu půdy, kvalitu a bezpečnost potravin a zemědělského hospodaření.
Hlavním znakem současných vývojových trendů v zemědělství je orientace na snižování nákladů a uplatnění technologií, které představují ekologický přínos v porovnání s konvečními technologiemi. Možné cesty spočívají v podchycení a respektování různorodosti prostředí a následné vhodné reakci na danou variabilitu pozemku. Variabilita vlastností je určena jednak historickým vývojem a také způsobem obhospodařování. Zdroje variability, které mají podstatný vliv na zemědělskou produkci lze rozdělit do šesti základních skupin:
výnosovou variabilitu
variabilitu pozemku (umístění, sklon, ohraničení pozemku nebo blízkost potoku)
půdní variabilitu – N, P, K, Ca, Mg, C, Fe, Mn, Zn a Cu a půdní úrodnost – dána hnojením, fyzikálními vlastnostmi, elektrickou vodivostí, vlhkostí, pH, humusem
rostlinnou variabilitu; hustota a výška rostlin, výživový stres, LAI, listový chlorofyl
variabilitu anomálních faktorů; napadení škůdci, nemoci, vítr, krupobití
variabilitu řízení: způsob obdělávání, hybrid, hustota setí, osevní sled, hnojení, pesticidy, zavlažování
V zemědělství se začínají stále častěji uplatňovat moderní technologie, původně určené pro jiné obory činnosti. Polní stroje, monitoring a měření na poli se vyvíjí velmi rychle.
Zemědělství tak využívá:
technologie a informace původně vyvinuté pro jiná odvětví (nová mechanizace, syntetická hnojiva, genetické inženýrství, automatizace),
nový přístup k zemědělství využívá vzniku několika technologií: GPS, GIS, miniaturní počítačové komponenty, automatická kontrola na poli, dálkově ovládaná měření, mobilní počítače, pokrok v informačních procesech a telekomunikacích,
schopnost získávat ucelenější data produkční variability v prostoru a čase, hlavní cíl – umět reagovat na tuto variabilitu,
Je prezentováno mnoho technologických inovací, ale vývoj agronomických a ekologických principů pro doporučení optimálních vstupů v odpovídajících úrovních se opožďuje. Mnoho farmářů váhá se zavedením nových technologií, motivací možná bude nová legislativa v oblasti životního prostředí, všeobecný zájem o snižování potřeby agrochemikálií, ekonomický zisk ze snížených vstupů a lepší rozhodovací možnosti.
Prostorová a časová variabilita půdy, rostlinné faktory byly hodnoceny po staletí. Dříve farmáři mohli ručně měnit ošetření, díky obhospodařování malých polí. Se zvětšováním polí a intenzivní mechanizací bylo nemožné popisovat proměnlivost pozemků bez revolučního vývoje technologií.
Proces monitorování pozemku, zavádění nových technologií a variabilní aplikace jsou dnes spojovány do obecného názvu Precizní zemědělství (Precizní hospodaření). Potřebu výzkumu a vývoje v této oblasti podtrhuje myšlenka „Kdyby byly pozemky uniformní, nebylo by zapotřebí precizního zemědělství“.
Výzkum precizního zemědělství začal v polovině 80. let v USA, Kanadě, Austrálii a západní Evropě. Přestože se rozšířil, zatím jenom část farmářů využívá technologie precizního zemědělství. Ke stávající monitorovací technice se postupně přidávají prostředky umožňující variabilní aplikaci. Dnes, zatím nejdůležitější, je variabilní aplikace hnojiv.
Systematická studie variability půdy a výnosu začala zároveň s rozvojem výpočetní techniky a uplatněním geostatistiky. Skutečné základy rozvoje precizního zemědělství však byly položeny s možností rychlého a přesného měření polohy. Se zavedením a uplatněním systému GPS. Právě GPS systém je někdy považován za synonymum precizního zemědělství.
Co je to GPS a jaká je vlastně podstata systému určování polohy?
Přesné určování polohy stojících nebo pevných objektů není problém a například geodeti tato měření používají. Jedná se však o dlouhodobější a pracnější měření. Určit aktuální polohu pohybujících se vozidel tímto postupem je takřka nemožné.
V takovém případě přichází v úvahu rádiový systém určování polohy. K nejmladším odvětvím patří rádiová navigace a rádiové určování polohy s využitím umělých družic. Pozor však na správné uvádění pojmů. Zatímco rádiová navigace se zabývá naváděním dopravního prostředku a osob po požadované dráze, rádiové určování polohy podává informace o přesné poloze. Velice často bývá určení polohy součástí navigačních systémů a proto se tyto dva pojmy zpravidla nerozlišují.
Využití družic pro určování polohy, případně navigaci přináší řadu výhod, zejména vysokou přesnost a celosvětové pokrytí. Myšlenka na družicovou navigaci se zrodila nedlouho po vypuštění první družice. Již v šedesátých letech začaly pracovat první navigační systémy. Od této doby bylo představeno několik projektů a vznikla řada systémů, které zaznamenaly větši či menší úspěch. V některých případech se jednalo pouze o návrhy a k realizaci nikdy nedošlo. Snaha o vývoj nového systému byla především snahou politickou než technickou. Přeci jenom se jednalo velice často o systémy vojenské a znalost přesné polohy je stále významná strategická informace. Za zmínku stojí například systém GLONASS tehdejšího Sovětského svazu. Budoucnost tohoto projektu je však nejistá. Ve snaze zajistit si nezávislost na USA navrhlo Německo systém GRANAS, ale k realizaci nikdy nedošlo.
Bylo by možné jmenovat další a další systémy, ale přejděme k současnosti.
V poslední době se hovoří o evropské konkurenci americkému systému GPS. Systém by měl nést název Galileo. Galileo je vyvíjen především pro využití v letecké dopravě k zahuštění letových koridorů. Navíc se předpokládá o rozšíření služeb navigace, které GPS neposkytuje. I když se v dostupných materiálech hovoří o určité bezplatné službě, zhruba na úrovni GPS, je třeba předpokládat, vzhledem k vysokým nákladům na zprovoznění, především komerční využití systému a zpoplatnění za příjem signálu. Datum vypuštění první družice je plánováno na rok 2005 a plné fungování se očekává v roce 2008 až 2009.
Zatím nejdokonalejším a fungujícím systémem je již zmiňovaný systém NAVSTAR – GPS. Počátky vývoje tohoto systému sahají do roku 1973. Zkratka označuje podstatu systému. V plném znění se jedná o Global Positioning Systém označovaný také jako Navigation Systém using Time And Range. I když je dnes systém bezplatně přístupný civilnímu využití, jedná se pochopitelně o systém vojenský. Při jeho vývoji byly práce rozděleny do tří fází. Během těchto fází se postupně přecházelo od testovacích zkoušek a vývoje družic k samotné realizaci projektu. V roce 1978 byly vypuštěny první družice, především pro účely testování. Tyto družice byly označovány jako družice bloku I a postupně jich bylo vypuštěno 11. Ve druhé fázi od roku 1979 do roku 1985 byly vyvíjeny družice bloku II a budovány řídící centra. Ve třetí fázi byly tyto družice vyrobeny a od roku 1989 postupně vysílány na oběžnou dráhu, kde doplňovaly a postupně nahrazovaly družice prvního bloku.
Můžeme si tedy říci že celý systém je tvořen celkem třemi segmenty a to kosmickým, řídícím a uživatelským. První tvoří 24 aktivních družic, které obíhají ve výšce přibližně 20 200 km nad zemským povrchem. Družice jsou rozmístěny po čtyřech v šesti oběžných rovinách. V ideálním případě je možné přijmout signál z 12 družic. Pro určení polohy je zapotřebí zachytit signál minimálně ze tří resp. čtyř družic pokud chceme také informaci o nadmořské výšce. Běžně se přijme signál z více družic, tedy plně postačující k určení polohy. Jakousi kontrolu nad chodem celého systému zajišťuje již zmíněné řídící centrum, neboli soustava pozemních kontrolních, monitorovacích a komunikačních stanic. Řídící centrum především kontroluje dráhy (efemeridy) družic a parametry družicových hodin.
Jak GPS systém pracuje?
Z hlediska komunikace uživatele a družice se jedná o pasivní dálkoměrný systém. Znamená to tedy, že přístroje data pouze přijímají a zpracovávají, ale žádné informace nevysílají. Není proto možné zjistit polohu běžného přijímače, který se pohybuje někde v terénu. Družice vysílají signály a uživatel zjišťuje čas jejich přijmu. Vzdálenost mezi družicí a přijímačem se tedy počítá na základě měření časového rozdílu mezi okamžikem vyslání a okamžikem přijmu signálu GPS přijímačem. Se znalostí minimálně tří vzdáleností mezi přijímačem a družicí a s informací o poloze družice v okamžiku vyslání signálu je možné určit polohu přijímače na Zemi. Polohu družic uživatel zjistí buď z pozemních stanic nebo častěji přímo z družice.
Jelikož se přesnost polohy určuje na základě časového rozdílu mezi vysláním a příjmem signálu, je každá družice vybavena velmi přesnými atomovými hodinami. Problém měření doby která uplyne od vyslání k příjmu by byl jednoduchý, kdyby časové základny systému a přijímače byly synchronní. Tak tomu však není. Časová základna přijímače je však posunuta o neznámý interval. Kdyby měly přijímače stejné hodiny jako jsou v družicích, byly by neúměrně drahé. Používá se tedy hodinový strojek jednodušší, podobný těm v digitálních hodinách. Zjednodušeně řečeno se problém s časovým posunem řeší tak, že po přijmu signálu z družice se hodinový strojek synchronizuje s atomovými hodinami.
Každá družice vysílá na dvou kmitočtech. Frekvence jsou označeny jako L1 (1 575,42 MHz) a L2 (1 227,6 MHz). Nosné vlny jsou dále modulovány kódy, označovanými jako C(t) a P(t) a daty D(t). Kódy C(t) a P(t) umožňují měření vzdálenosti a vzájemné oddělení signálů jednotlivých družic. Data D(t) slouží k přenosu efemerid družic, ze kterých se v přijímači určují polohy družic.
Kód C(t) tzv. Goldův kód, umožňuje poměrně přesně měřit vzdálenost. Tento kód je možné přijímat v přijímači bez spolupráce s řídícím centrem. Je vysílán pouze na frekvenci L1 a je označován jako kód volně přijatelný uživateli.
Kód P(t) je označován jako přesný kód a umožňuje uživateli měřit přesněji vzdálenost mezi družicí a přijímačem a tím i celkové určení polohy je přesnější. Omezí se především rušivé vlivy ionosféry. Pokud použijeme P kód, můžeme přijímat na obou kmitočtech L1 a L2. Kód P umožňuje tak přesné měření polohy, že z obav o zneužití je P kód dále zakódován a pro běžného uživatele nedostupný. Přístup mají pouze autorizovaní uživatelé.
Jak bylo napsáno výše, potřebuje přijímač pro určení polohy znát souřadnice polohy. Ty se počítají na základě parametrů její dráhy, které sama družice ve formě D(t) dat vysílá. V této navigační zprávě najdeme zejména almanach který obsahuje informace o ostatních družicích a efemeridy, neboli informaci o samotné družici. Každý přijímač by měl mít v paměti informace o tom, kde se jednotlivé družice po obloze pohybují. Tato informace výrazně usnadní zaměření přístroje při zapnutí. Pokud GPS přijímač nebyl nikdy spuštěn, nebo doba mezi vypnutím a zapnutím je delší než 2 až 3 měsíce, nebo byl spuštěn na místě vzdáleném od pozice posledního vypnutí cca 200 až 500 km, dochází před výpočtem pozice k ukládání almanachu a efemerid do paměti GPS a zaměření se může výrazně protáhnout.
Jakou přesnost GPS přijímače poskytují?
Poloha určená i při použití jediného kmitočtu je velmi přesná. Zjednodušeně se dá říci, že se přesnost běžného přijímače pohybuje kolem 7 až 10 m. Na přesnost určení polohy mají vliv všechny tři systémy. Těžko ovlivníme kosmický a řídící. Záleží však na mnoha uživatelských okolnostech, které může uživatel ovlivnit a které se na přesnosti určení polohy projeví.
Z hlediska rozmístění družic a systému určování polohy bude nejvýhodnější pokud bude vzájemná poloha družic co možná nejvzdálenější. Vysvětlení je jednoduché. Signál se z družic šíří v podobě koule. Bod jehož polohu určujeme bude ležet v průsečíku kulových ploch, jejichž poloměr je dán měřenými vzdálenostmi. Vzhledem k tomu že signál má své nepřesnosti, průsečík nebude mít podobu bodu, ale prostoru němž se poloha hledaného bodu nachází. Čím více budou od sebe středy koulí, tedy družic vzdáleny, tím bude zmiňovaný prostor menší a určení polohy přesnější. Ideální tedy je, aby byl zajištěn dobrý výhled na oblohu ve všech směrech, bez překážek. Při zakrytém výhledu například v hornatém terénu, lese nebo v husté zástavbě se přesnost přijímače výrazně sníží. Určité zastínění můžeme způsobit vlastním tělem. V některých případech je proto výhodné použít například externí anténu. Nepřesnost vnáší také odrazy od okolních ploch (budovy, překážky). Jistá možnost zpřesnění polohy je průměrování hodnot. Lze tak dosáhnou přesnosti kolem 5 – 7 m. Tato metoda však není vhodná pro pohybující se osoby nebo stroje.
Uváděná přesnost určení polohy nebyla donedávna možná bez speciálních doplňkových přístrojů. Vzhledem k vysoké přesnosti byl zaveden vládou USA v roce 1990 zvláštní režim provozu družic GPS – výběrový přístup. Výběrový přístup SA (Selective Availability) spočíval v záměrném zhoršování přesnosti měření vzdálenosti tím, že se měnil hodinový kmitočet a efemeridy vysílané v navigační zprávě. Chyba v určení polohy se tak pohybovala okolo 100 m a více. V době zavedení chyby SA existovala pro běžné uživatele, pokud se nespokojily s tak vysokou chybou, jediná možnost a to použití diferenčního GPS, zkráceně DGPS. Princip korekcí byl jednoduchý. Když si systém přirovnáme k hodinkám, které se zpožďují o dvě minuty a víme o této chybě, není problém určit přesný čas. Stejně tak pracuje i DGPS přístroj. Princip spočíval v tom, že se určovala poloha pevného bodu tzv. referenční stanice, kde byly předem známé souřadnice. Poté se porovnaly známé souřadnice s vypočtenými.
Z porovnání bylo možné získat opravu a tu potom zanést do navigačního přístroje uživatele vhodnou linkou. Přijímače uživatelů poté opravily naměřenou hodnou a určení polohy výrazně zpřesnily. Přesnost dosahovala hodnot 1 až 5 m. Značnou nevýhodou DGPS bylo šíření a pokrytí prostoru signálem. Vysílání korekčního signálu na území ČR toho času zajišťovala referenční stanice v blízkosti Poděbrad. Dosah takové stanice byl zhruba v okruhu 400 km. Pro nedostatek finančních prostředků byl však provoz nepravidelný a poté ukončený. Vysílání DGPS signálu se také provozovalo a stále provozuje z geostacionárních družic. Pořízení přijímače však představovalo značné finanční prostředky a pochopitelně se platilo také za příjem signálu. To byl také důvod, proč se využití GPS přijímačů, kromě vybraných oborů příliš nepředpokládalo a vše stálo na mrtvém bodě. Navíc se také nedalo předpokládat zrušení chyby SA.
Zlom nastal zcela nečekaně 1. 5. 2000, kdy rozhodnutím tehdejšího prezidenta USA B. Clintona došlo k vypnutí záměrné chyby SA. Tak byly znovu obnoveny podmínky pro spolehlivé využití GPS přijímačů. Využití GPS přijímačů tak doznalo nebývalého rozvoje. Navíc jsou dnes k dispozici další možnosti zpřesnění už tak dost přesného systému. Jedním z nich je moderní obdoba systému DGPS nazývaný WAAS (Wide Area Argumentation Service). Tento signál také poskytuje geostacionární družice, ale na rozdíl od DGPS je signál poskytován zdarma. Navíc není zapotřebí zvláštní antény protože novější přístroje jsou kompatibilní s WAAS. Jediné omezení je pouze v pokrytí území. Jsou plánovány celkem tři družice a to americká, evropská a asijská. V Evropě nese WAAS oficiálně název EGNOS. Přesnost přijímače se tak může zvýšit na 2 až 3 m.
Jaké jsou možnosti využití GPS?
Hlavní funkcí GPS přijímačů je tedy především určení souřadnic bodu, případně nadmořské výšky. Z těchto údajů je potom možné odvodit další údaje jako je rychlost pohybu, směr pohybu a vzdálenost od požadovaného cíle, přesný čas, navigaci, záznam trasy, práci s mapou a další. Tyto informace více či méně využijeme v oblastech své činnosti a podle toho si také budeme přístroj vybírat. Nemusím asi připomínat využití ve vojenství. Budeme se ale zabývat hlavně civilním využitím.
Asi nejpočetnější skupinu dnes tvoří ruční, někdy se též uvádí turistické, GPS přijímače. U těchto přístrojů je kladen důraz zejména na velikost, tak aby nepřestavovaly pro uživatele zátěž. Velikost je srovnatelná s mobilním telefonem. Přístroje umožňují ukládání vlastních bodů a záznam tras, vyhledávání, navigaci (většinou po přímce), měření času, rychlosti. Kvalitnější přístroje podporují také práci s vestavěnou mapou a dohrávání dalších map. Podsvícení displeje umožní práci v noci. Jsou konstruovány tak, aby vydržely zacházení v terénu. Využití nemají pouze v turistice, ale také v oblasti monitorování pozemku, porostu, inventarizaci zařízen a sběru dat pro GIS.
Druhou početnou skupinu tvoří námořní GPS přijímače, někdy také nazývané jako plottery. Je samozřejmě možné použít přístroje z první skupiny, ale určité rozdíly tu jsou. Zejména jde o velikost displeje a možnost připevnění na přístrojovou desku. Plottery bývají často spojovány se sonarem.
Stejně tak pro oblasti sportovního a amatérského létání je možné využít ruční přístroje. Přesto jsou na letecké přístroje kladeny vyšší požadavky z hlediska bezpečnosti. V databázi přístroje tak najdeme informace o letištích, zónách s omezeným nebo zakázaným letovým provozem.
V geodézii se využívá GPS přijímačů pro tzv. relativní měření, kdy se údaje o poloze ukládají současně do dvou přijímačů. Jeden je určen jako referenční a druhý jako přenosný. Následným zpracováním dat lze docílit přesnosti v řádu milimetrů. Ceny přístrojů se však mohou pohybovat v milionech Kč.
Široké využití se nabízí také pro aplikační GPS přístroje. Přístroje nemají vlastní zobrazení na displeji, ale pomocí kabelu je lze propojit s palubním nebo osobním počítačem. V pozemní dopravě to znamená především přehled o pohybu vozidel a souprav, možnost sledování v operačním centru, případně řešení logistických úloh. Nelze opomenout oblast zemědělství. Jak bylo řečeno, bývá slovo GPS často spojováno s pojmem precizní zemědělství. Přijímače GPS signálu, zabudované ve strojích především zaznamenávají polohu a přiřazují tento údaj ke sledovaným veličinám. Následným zpracováním získáme informace o variabilitě pozemku v podobě map a můžeme na tuto variabilitu reagovat přiměřeným zásahem. Na požadované místo na pozemku se vrátíme opět s využitím GPS přijímače.
Existuje také způsob měření pomocí senzorů a reakce je okamžitá. V takovém případě GPS systém není vždy nutný. Tento systém je však méně využíván, senzory jsou příliš drahé nebo nedostupné. Častěji používaný je postup založený na mapách, který vyžaduje následující procedury: odběr vzorků, laboratorní analýzy vzorků, vytvoření lokálně specifických map a nakonec použití těchto map k variabilní aplikaci. GPS je obvykle nutný. V oblasti zemědělství se GPS přijímač může využít dále ke kontrole a výpočtu ploch, navádění na kolejové řádky apod. Možná se jednou dočkáme bezobslužných strojů, které se pohybují po pozemku na základě údajů o poloze.
Motoristům jistě neunikla zpráva o využití GPS přijímačů pro automobilové navigační systémy. Jedná se o systémy, které mohou navigovat od křižovatky ke křižovatce, často i hlasem. Je možné do těchto vestavěných systémů dohrávat silniční mapy, zájmové body, jako čerpací stanice, hotely, některé dokáží spolupracovat s vysíláním o dopravní situaci. Je asi patrné, že se jedná o vybavení automobilů vyšších tříd. Ti, kdo nemají do kapsy příliš hluboko, si však tuto vymoženost nenechají zpravidla uniknout a navigační systém v autě mají. Je potěšitelné, že řidiči nyní mohou po Čechách jezdit podle rozšířené mapy s českým naváděním. Rozšířená digitální navigační mapa České republiky vznikla ve spolupráci mladoboleslavské automobilky Škoda Auto a společností Tele Atlas a CEDA. Aktuální pokrytí nové navigační mapy již dosáhlo 52% obydleného území.
Z uvedeného přehledu je patrné že GPS přístroje se dají využít od zábavy po dopravu, zemědělství až po složité aplikace v geodézii. Rozvoj se v této oblasti rozhodně nezastaví a tak budeme jistě svědky, jak tyto přístroje stále více a více pronikají do běžného života. Již dnes se řeší možnost komunikace a zasílání dat přes družice, bezdrátový přenos geografických dat, větší využití digitálních map, propojení s počítači nebo zabudování do mobilního telefonu.
V souvislosti s GPS přístroji nelze opomenout rozsáhlý obor a tím jsou GISy a jejich aplikace. GIS neboli Geografický Informační Systém představuje soubor nástrojů pro ukládání a zpracování prostorových dat, vytváření databází a porovnávání jednotlivých hodnot. Zjednodušeně řečeno jedná se o převádění souboru čísel do grafické podoby jako jsou mapy, trasy silnic, cest apod. U těchto programů samozřejmostí spolupráce s GPS.
