ebook img

Geo­Spatial Yield Monitoring Technology for Mechanized Almond harvest PDF

15 Pages·2011·2.17 MB·English
by  
Save to my drive
Quick download
Download
Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.

Preview Geo­Spatial Yield Monitoring Technology for Mechanized Almond harvest

INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Geo­Spatial Yield Monitoring Technology for Mechanized Almond  harvest  Balaji Sethuramasamyraja1  , Sunny Sehgal1  , Jim Yager 2  1­ Department of Industrial Technology, California State University, Fresno  2255 E Barstow Ave, M/S IT 09, Fresno, CA 93740­8002, USA  2­ Impact Marketing Enterprises & Hydroponic Mastery Inc.,  Fresno, CA 93740, USA  [email protected]  ABSTRACT  Yield monitoring is critical for almond growers to garner profitability through application  of  geospatial  technology  and  site  specific  crop  management  in  almond  production.  Almond growers could optimize water and application of inputs based on soil thematic  layer of the field that has a strong correlation to yield besides management practices. In  this research a commercially deployable yield monitor was developed for almonds with  sensing, global positioning system (GPS) and geographic  information systems (GIS)  technology  (Digi­Star®  Yield  Monitor).  Yield  maps  were  developed  for  production  almond fields. The yield data was validated using sampling datasets which were in turn  correlated to soil thematic layer developed using soil electrical conductivity (Veris®  3100 EC Mapper). The sampling from multiple soil zones representing a soil texture were  correlated to the almond turn out ratio. Also, the effect of navel orange worm (NOW) on  almond meat turn out ratio was reported.  Key words: Precision agriculture, precision viticulture, differential harvest, anthocyanin,  wine grapes, geo­statistics, kriging.  1. Introduction  Almond Orchards are ubiquitous in California and almonds tree nuts are a major part of  Central Valley (Central California) agricultural production. California produces about  80% of world’s almonds and 100% of domestic need (USDA Market Report, 2009). In  year 2009 California produced 1.35 billion lbs worth $2.34 billion almonds at an average  1900 lbs/acre and 108 trees/acre. There are over 6000 almond growers located in Central  Valley of California alone. In 2009 the almond yield reduced by 20% from the previous  year (USDA Acreage Report, 2009). Almond yield variation from year to year could be  caused by several factors. However, soil variability is one critical factor that affects yield,  especially  if  the  grower’s  management  practices  are  not  in  line  with  the  variability  (Sethuramasamyraja et al., 2010).  Although almond production in California is huge amounting to 0.9 million acres in 2009  (USDA Acreage Report, 2010), there is no usage of yield monitoring technology to  capture an aspect of variability. Spatial variability is common in any field due to several  reasons including natural terrain, management of land over the years and excessive or 864 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  improper usage of agricultural chemicals. Almond orchard growers have realized this for  decades and have devised several cultural management practices to overcome spatial  variability. However, without proper application of technology and its related science,  fruits of site­specific management may not be realized profitably. The application of  precision farming and geospatial technologies (Pierece and Nowak, 1999) to almond  farming  is relatively recent, but  could take advantage of technologies such as  yield  monitoring applied in other crops like corn and soybean. The variability in yield revealed  by this technology in several crops, although expected, is quite informative for precise  management. As compared to the application of site­specific crop management practices  in row crop farming, application of geospatial technologies in almonds, by all means,  adds  considerable  value  due  to  the  higher  value  of  crops  involved.  For  instance,  differential  harvesting  of  almonds  based  on  soil  variability  has  the  potential  for  profitability in almond production (Sethuramasamyraja et al., 2007).  Yield is correlated to soil texture, irrigation and agro chemical application (Maja and  Ehsani, 2010). Sandy soils are typically low yielding soils due to the coarser particle size  and hence its inability to hold nutrients and water for longer period. Clay soils on the  contrary are high yielding soils due to the fine particles size as they could hold water and  nutrients longer yielding higher yield (Shein, 2009). However, over irrigating in clayey  soils could result in water clogging causing growth of mold on the crop due to excessive  moisture resulting in pest incidence and crop damage.  Although adoption of geospatial technology in agriculture has been significant in the  country, it has been relatively slow in the Central California region due to the diversity of  crops and necessity of multiple mechanized systems in production. However, the initial  investment in technology could be retrieved through proper application of technology in  agriculture. There is no successful commercial almond yield monitor at this point and  such a system will capture the almond yield variability. This variability could be the  trigger  for  further  analysis  and  comparison  with  other  thematic  layers  like  soil  to  determine the productivity on a site specific basis. Therefore, yield monitoring helps  understand variability, which can be used for the application for site­specific inputs,  which is critical for protecting the quality of environment and attain profitability through  optimization.    The  objectives  of  this  project  are  to  develop  a  sensor  based  yield  monitoring system for mechanized almond harvest, create a geospatial map of almond  yield, and validate almond yield variability with soil electrical conductivity.  2. Materials and Methods  2.1 Field Information  Two different almond fields were utilized in this research. The almond fields were Field  I, Fargovsa Almond Farms  located in  West Fresno, California (Figure 1a & b) and  University Agricultural Laboratory, California State University (CSU), Fresno, California  (Figure 2a & b). Table 1 lists field specification. 865 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Table 1: Experimental Almond Field Specifications  Spacing  Acres &  Rows &  Field  Heading  (Row,  Tree/ac  Ave. Trees  Trees)  Field I (West Fresno, CA)  17, 123  63, 35  East­West  20, 17  137, 55  Field II  (CSU, Fresno, CA)  57, 132  North­South  20, 15  Figure 1a: Fargovsa’s Almond Field with elevation (Field I), West Fresno, CA 1b. –  Almond Trees in Field I (Image Courtesy: Google Earth 6.0) 866 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Figure 2a: University Agricultural Laboratory Almond Field (Field II), Fresno, CA with  Soil Electrical Conductivity (EC)  Figure 2b: Almond Trees in Field II (Image Courtesy: Google Earth 6.0)  2.2 Sensors and Instruments  Table 2 lists the sensors, global positioning system (GPS) and software utilized in this  research. The Trimble Juno ST is a hand held (Trimble Navigation Limited, Sunnyvale,  CA) GPS systems, and has an integrated GPS receiver with Microsoft Compact Edition  (CE) based mobile device. FarmWorks View (FarmWorks, Hamilton, IN) was used for  mapping the yield and soilconductivity on Fargovsa’s farm (Field I). ArcGIS 9.3 desktop  software (ESRI, Redlands, CA) was used for mapping the turnout percentage of almonds  and soil conductivity on University Agriculture Laboratory, California State University,  Fresno, CA (Field II). Digital Weighing scale (Cen­Tech®) was used for weighing the  samples  collected  from  Field  II.  Irwin  curved  jaw  locking  plier  (Irwin®  Tools,  Wilmington, OH) was used for hulling and shelling almonds. 867 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Table 2: Sensors, Instrumentation and Software utilized in experiments  Almond  User  Sensor  GPS  Software  Farm  Interface  Field I  Digi­Star  Trimble Juno ST  Digi­Star  Farm  (West Fresno,  Compression  Handheld 1,  Garmin  NT460 3  Works View 5  CA)  Transducer 3  GPS Antenna Kit 4  Field II  Trimble Juno ST  ESRI ArcGIS  (CSU­Fresno,  NA  Handheld 1  9.3 2  CA)  1T  rimble Navigation Limited, Sunnyvale, CA  2E  nvironmental Systems Research Institute, ESRI, Redlands, CA  3D  igi­Star, Fort Atkinson, WI  4G  armin, Olathe, KS  5F  armWorks, Hamilton, IN  Table 3 lists the operations on Field I and Field II. Geo­Referencing and Soil Electrical  Conductivity dataset was collected in both Field I and II. Field I was yield mapped while  Field II was used for yield validation study.  Table 3: Field Operations in Field I and II  Operation  Field I  Field II  Geo­Referencing  Yes  Yes  Soil EC  Yes  Yes  1Y  ield Mapping  Yes 1  Yes2   2T  urnout Mapping  2.3 Varietal Information & Yield Validation Data Collection  Table 4 lists the varietals planted in Field I and II with their attributes and applications  (Almond  Board,  2010).  Butte  and  Padre  were  the  varieties  sampled  from  Field  I.  Nonpareil, Aldrich, Price, Butte and Padre were the varieties sampled from Field II.  Table 4:  Almond Varietals  Group  Varietal  Classification  Attribute  Uses  Nonpareil  Nonpareil  High Turnout  Attractive  Aldrich  Nonpareil  Wrinkled  appearances  Group I  High Percentage of  Manufactured  Price  California  doubles  products  Butte  California &  Versatile Kernel  Salt and Flavor  Group II  Padre  Mission  application  adherences 868 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Table 5 lists varietal sampling information including number of rows, trees & soil zones.  Table 5:  Data Collection  Almond Farm  Varietals  Rows  Trees  Soil Zones  Field I (West Fresno, CA)  2  63  2100  5  Field II  (CSU, Fresno, CA)  5  16  88  8  5 almonds varietals were planted in Field II. In case of Group I random samples were  collected from 6 different soil zones (10, 13, 31, 19, 25 & 22) with unique soil textures.  From each zone 4 trees were selected, collecting 100 nuts from each tree. For Group II,  samples were collected from 2 soil zones (7 & 55) and from each zone, 4 trees were  selected  collecting  100  nuts  from  each  tree.  Collected  samples  were  paper  bagged  separately with each bag labeled with a distinct identification.  After sample from each zone were collected they were hulled to remove the green outer  soft covering and were dried under sun for 48hrs to remove moisture and avoid mold  damage. Dried samples were then shelled using the almond shell cutter and the shells and  hulls were stored in separate bags. The meats were categorized such as wholes (without  damage), shriveled (having wrinkles or are warped), stained, doubles (exactly two meats),  aborted (no meat) and NOW (pest infested). The wholes were stored in a ziplock bag and  the shriveled, stained, and doubles were stored in one zip lock bag while the almonds  with navel orange worms and aborted almonds were store together. The almonds diseased  with NOW were frozen overnight to avoid navel orange worms growth further.  2.4. Yield Monitoring System and Data Collection  Almond is typically harvested using a 3­step process (Almond Board, 2010) – shaking,  sweeping and picking (Figure 3). Prior to harvest, almond field was cleared off to remove  any debris such as the tree branches and leaves left over in the field. A mechanical fork  shaking system was utilized to shake the almond tree by holding on to almond tree trunk  with a displacement and frequency of 10 mm. at 20 hz. The mature almonds fall in the  ground during the shaking process which is then raked as windrows using an almond  sweeper. The almonds were sundried on the ground for two weeks to remove excess  moisture. Then an almond yield picker implement was used to pick the dried up almonds  and shipped for further processing.  Yield monitoring systems are widely adopted in other crops including grains, fruits,  vegetables and nuts although none are available for almond commercially (Shearer et al.,  1999).  A  yield  monitoring  system  (Figure  4)  was  developed  using  a  combination  mechanical load cell mounted on the axle of a yield implement, a GPS receiver for geo­  referencing of each load cell yield data point, a controller and user interface with data  storage (Figure 5). 869 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  Figure 3: Three Step Almond Harvest –Shaking, Sweeping and Picking  Figure 4: Almond Implement with the developed Yield Monitoring System  Figure 5: Yield Monitoring System in Mechanized Almond Yield Implement 870 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  The compression transducer load cells (Figure 6a) mounted on each side of the axle of  the yield implement measures the yield of picking using the principle ofiterative measure.  The load cells have a range of up to 50,000 lbs for measuring almond weight with an  error range of 001 – 0.25 % that could be weighed  in the storage chamber  of the  implement (Figure 6b).  Figure 6a: Almond Storage Chamber 6b. Load Cells & in Axle Mount 6c.Garmin GPS  6d. Digi­Star NT 460 User Interface  Figure 7: Yield Monitoring SystemData Stream 871 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  A software program was developed for the controller to achieve the differential weighting  scheme typical of almond picking on­the­go using differential algorithm. While each of  the two, load cell data from the axle of the implement is averaged for a single yield value;  the GPS receiver (Figure 6c) obtains an alphanumeric data string from satellites with the  location information. The GPS string was decoded using the same controller program to  add the northing and easting values of the coordinate in the yield log file along with the  mean yield value in the user interface data storage (Figure 6d) as illustrated (Figure 7).  The frequency of data collection was 0.33 Hz (one yield data point every three seconds)  and the average mean distance between subsequent data points was 10.8 ft at an average  speed of 2 mph. The above parameters could be adjusted in the user interface using inputs  to the software program.  2.5.Soil Electrical Conductivity  Soil  Electrical  Conductivity  (EC)  is  the  measure  of  soil  conductivity  measured  by  sending an electrical signal, through a pair of electrodes, and receiving it in another pair  of electrodes to determine the soil electrical conductivity. In the Veris soil EC Mapper,  odd numbered electrodes 1, 3 and 5 injects an electrical signal into the soil and are  subsequently  received  by  their  corresponding  even  numbered  2,  4  and  6  electrodes  measures the drop in voltage to determine soil EC (Figure 8a). Two pairs of electrodes  were utilized in the Veris 3100 (Veris®, Salina, KS) EC Mapper (Figure 8b) to collect  soil electrical conductivity at two different depths (1 ft. and 3 ft as shallow and deep EC).  The Soil EC is coupled with a GPS receiver that records the geographical coordinates  creating a geo­referenced map of soil shallow and deep soil EC.  Figure 8 a: Soil EC Principle b. Veris Soil Ec Mapper in Field II, CSU Fresno, CA 872 INTERNATIONAL JOURNAL OFGEOMATICS AND GEOSCIENCES  Volume 1, No4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services  Research article  ISSN   0976–4380  3. Results and Discussion  3.1 Field I  The almond yield map shows the yield variability in Field I as mapped by the yield  monitoring system developed (Figure 9).  Figure 9: Almond Yield Mapped using the developed Yield Monitoring System, Field I  Table 6 lists the yield information of two varietals, Group II with respect to the specific  soil zones and their texture. It is apparent that the lowest almond yield was in soil zone 6  with sandy loam texture while the highest almond yield was in soil zone 1 that was clay  loam.  Table 6: Group II Almond Varietal Yield, Field II  Padre  Butte  Soil  Yield  Yield  Soil Texture  Zone  (lbs/acre)  (lbs/acre)  1  2523  1659  Loam  2  2077  2091  Sand Clay Loam  3  1961  1594  Sandy Loam  4  1739  1367  Sandy Loam  5  2062  1475  Sandy Loam  6  1218  1852  Sandy Loam  The yield map also demonstrates considerable variability in yield ranging from 1200 to  2500 lbs/ac. The soil EC dataset collected in Field I is overlaid to classify the soil zones.  The statistical single tailed paired t­test of the varietals, padre and butte dataset yield in 873

Description:
Geo­Spatial Yield Monitoring Technology for farming is relatively recent, but could take advantage of technologies such as yield monitoring applied in other
See more

The list of books you might like

Most books are stored in the elastic cloud where traffic is expensive. For this reason, we have a limit on daily download.