Ponad sto lat temu, latem 1922 roku, z lotniska metropolitalnego Chodyńskiego wystartował samolot ze sprzętem do przeprowadzania lotniczych prac chemicznych poprzez opryski przeciwko szkodnikom i chorobom. Udane loty testowe zapoczątkowały rozwój lotnictwa rolniczego.
Obecnie wykorzystanie różnych środków lotniczych do ochrony roślin ma duże znaczenie gospodarcze, gdyż daje możliwość:
— wielkoskalowy zdalny monitoring upraw rolnych;
- zabiegi ochronne w krótkim agroterminie iw miejscach trudno dostępnych przed szczególnie groźnymi szkodnikami (szarańcza, ćma łąkowa, gryzonie myszopodobne, stonka ziemniaczana, żółw szkodliwy) i chorobami (rdza brunatna, zaraza ziemniaczana, alternarioza);
- uprawa roli przy silnym uwilgotnieniu gleby, gdy sprzęt glebowy nie może wjechać na pole, szczególnie w walce z chwastami;
– obróbka roślin wysokich (kukurydza, słonecznik) i siew roślin nasiennych;
— przetwarzanie pól ryżowych;
- wysuszenia;
– obróbka plonów na zboczach o nachyleniu większym niż 7 stopni, gdzie nie mogą pracować urządzenia do oprysków gruntowych.
W Związku Radzieckim podstawą floty lotnictwa rolniczego był AN-2. Obecnie rozwój lotnictwa rolniczego zmierza w kierunku znacznego rozszerzenia wykorzystania ultralekkich statków powietrznych (ALV) i bezzałogowych statków powietrznych (UAV), które są znacznie tańsze od samolotów ciężkich. Zgodnie z Federalnymi Przepisami Lotniczymi i Kodeksem Lotniczym Federacji Rosyjskiej urządzenie (samolot) nazywa się ultralekkim, jeśli ma:
- maksymalna masa startowa nie większa niż 495 kg (bez lotniczego sprzętu ratowniczego);
- maksymalna prędkość przeciągnięcia kalibracyjnego (minimalna prędkość lotu) nie większa niż 65 km/h.
Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) obejmują pojazdy, których loty są kontrolowane przez pilotów znajdujących się poza planszą (pilotów zewnętrznych).
Cechy właściwego trybu użytkowania UAV określa jego maksymalna masa startowa:
- do 250 g - nie podlegają państwowej rejestracji ani rachunkowości;
- od 250 g do 30 kg - podlegają obowiązkowej rachunkowości państwowej;
- od 30 kg i więcej - podlegają rejestracji państwowej.
Ważnymi zaletami wykorzystania UAV i ALS są:
— brak strat spowodowanych uszkodzeniem upraw przez koła lub konieczności stosowania ścieżek przejazdowych (w porównaniu z urządzeniami naziemnymi);
- wysoka wydajność przy jednoczesnym obniżeniu kosztów eksploatacji (w porównaniu z samolotami ciężkimi, gdyż samoloty te nie muszą posiadać wyposażonych lotnisk).
Wykorzystanie bezzałogowych statków powietrznych pomaga w rozwiązaniu następujących zadań:
- uzyskiwanie szczegółowych informacji o tworzeniu bazy kartograficznej gruntów rolnych i rozmieszczeniu obiektów rolniczych wraz z ich dokładnymi współrzędnymi dla planowania i sterowania procesami technologicznymi produkcji rolnej;
– prowadzenie zdalnego monitoringu w oparciu o obrazowanie wielospektralne podłoża gruntów rolnych w celu określenia stanu i rozwoju upraw, prognozowania plonów na podstawie obliczenia wskaźnika wegetacji na podstawie wyników obrazowania spektralnego itp.;
– kontrola operacyjna w czasie rzeczywistym nad pracą urządzeń naziemnych i jakością prac agrotechnicznych;
– geokodowany monitoring fitosanitarny użytków rolnych w celu określenia stopnia zachwaszczenia upraw, obecności szkodników oraz przejawów chorób we wczesnej fazie rozwoju, w tym w formie utajonej;
Wykorzystanie BSP do zdjęć lotniczych gruntów rolnych zapewnia, w porównaniu ze zdjęciami satelitarnymi, uzyskanie obrazów o wyższej rozdzielczości (do jednego centymetra na punkt) i co najważniejsze umożliwia prowadzenie tych prac w obecności gęstych chmury (fotografowanie za pomocą statku kosmicznego w takich okresach jest niemożliwe).
Zatrzymajmy się bardziej szczegółowo na fitosanitarnym monitorowaniu upraw. W ostatnim czasie wolumen zużycia środków ochrony roślin w Rosji stale rośnie: według statystyk co pięć lat, począwszy od 2010 roku, podwoił się iw 2020 roku osiągnął 221 tys. ton. Wraz ze wzrostem stosowania środków ochrony roślin rolnicy muszą zapewnić szybkie gromadzenie i przetwarzanie informacji o stanie fitosanitarnym pól uprawnych. Bez tych informacji nie jest możliwe rozwiązanie problemów technologicznego wsparcia racjonalnego i bezpiecznego stosowania środków ochrony roślin w krótkim rolniczym horyzoncie czasowym. Istniejące metody naziemnej inspekcji tras polowych nie pozwalają na szybkie iw odpowiedniej ilości uzyskanie niezbędnych informacji. W tym zakresie aktywnie prowadzone są prace za granicą iw naszym kraju nad opracowaniem wysokowydajnych zdalnych metod pozyskiwania informacji do planowania i wykonywania zabiegów ochrony roślin. Do operacyjnego zdalnego monitoringu fitosanitarnego najczęściej wykorzystywane są bezzałogowe statki powietrzne, które dostarczają geokodowane wideo oraz obrazy multispektralne i hiperspektralne powierzchni Ziemi.
Należy zauważyć, że kwestie wykorzystania zdalnych metod pozyskiwania informacji w zakresie zwalczania chwastów (określanie rozmieszczenia chwastów w polu, ocena strat w plonach, mapowanie stref uszkodzeń) zostały już częściowo rozwiązane. W tej dziedzinie, w ramach umowy o współpracy naukowo-technicznej, prowadzono badania z udziałem specjalistów z VIZR, University of Aerospace Instrumentation (St. Petersburg), Samara Agrarian Academy i Ptero LLC (Moskwa). Uzyskano pozytywne wyniki zastosowania BVS do zdalnych metod pozyskiwania informacji opartych na spektrometrii do oceny porażenia zbóż i ziemniaków ponad 20 rodzajami chwastów, w tym tak szkodliwym jak barszcz Sosnowskiego. Dane uzyskano na podstawie wyznaczenia i analizy charakterystyk spektralnych odbicia od uprawianych roślin i chwastów w zakresie długości fal 300-1100 nm.
I tak, w toku badań przeprowadzonych w celu identyfikacji cech definiujących na podstawie jasności spektralnej odbicia od roślin uprawnych i chwastów, ustalono najbardziej pouczające podzakresy widmowe długości fal promieniowania elektromagnetycznego do wykorzystania w obrazowaniu wielospektralnym podłoża gruntów rolnych przy użyciu nowoczesnych systemy teledetekcji. Z analizy obrazów spektralnych chwastów i roślin uprawnych wynika, że obserwujemy charakterystyczne różnice w otrzymanych widmowych krzywych jasności w podzakresach promieniowania elektromagnetycznego niebieskiego, zielonego, czerwonego oraz bliskiej podczerwieni w podzakresie długości fal bliskiej podczerwieni.
Trudniejszym zadaniem dla powszechnego stosowania metod teledetekcji użytków rolnych jest oznaczanie informacyjnych oznak chorób roślin, a przede wszystkim w postaci utajonej. Wynika to z faktu, że wiele informacyjnych oznak chorób ma podobną jasność widmową do oznak niezakaźnej patologii badanych roślin.
Pozytywne wyniki uzyskano w oznaczaniu chorób ziemniaka i uszkodzeń roślin ziemniaka przez stonkę ziemniaczaną metodą spektroradiometryczną. Stosując tę metodę stwierdzono, że przy sadzeniu ziemniaków dotkniętych zarazą (ryc. 1), trzeciego dnia po porażeniu obserwujemy gwałtowny spadek jasności spektralnej odbicia w porównaniu z roślinami zdrowymi, a na siódmego dnia po infekcji wartości jasności widmowej pokazują, że rośliny są praktycznie martwe. W tym przypadku wartość jasności widmowej u roślin dotkniętych zarazą jest zbliżona do wartości jasności widmowej odbicia od gleby.
W przypadku uszkodzenia ziemniaków przez stonkę ziemniaczaną obserwujemy również spadek wartości widmowej jasności odbicia od dwóch do trzech razy w porównaniu z roślinami bez uszkodzeń przez szkodnika. Na rycinie 2 przedstawiono dane dotyczące widmowej jasności odbicia roślin ziemniaka z uwzględnieniem różnego stopnia ich uszkodzenia. Uzyskane dane mają duże znaczenie dla zdalnej metody wykrywania uszkodzeń roślin ziemniaka przez stonkę ziemniaczaną.
Obecnie, na podstawie badań przeprowadzonych w celu określenia cech informacyjnych na podstawie jasności widmowej odbicia od zdrowych i chorych roślin ziemniaka, a także uszkodzonych przez stonkę ziemniaczaną, najbardziej pouczające są podzakresy widmowe długości fal promieniowania elektromagnetycznego ustanowiony w celu wykorzystania wielospektralnego obrazowania powierzchni gruntów rolnych z wykorzystaniem BVS i SLA.
Przy określaniu chorób należy wziąć pod uwagę wyniki badań Instytutu Agrofizyki, które pozwoliły określić charakterystykę spektralną odbicia roślin z niedoborem azotu i wilgoci w glebie.
Uzyskane wyniki są istotne dla identyfikacji cech informacyjnych, które pozwalają jednoznacznie rozróżnić przy odczytywaniu stanu fitosanitarnego użytków rolnych rośliny dotknięte chorobami oraz rośliny z patologiami spowodowanymi niedoborem składników mineralnych lub wilgoci w glebie.
Tworzenie bibliotek obrazów spektralnych chorób różnych roślin uprawnych, a także obrazów spektralnych tych upraw, które mają niedobory składników mineralnych lub wilgoci w glebie, pozwoli na podstawie wyników zdalnego pozyskiwania informacji podejmować rozsądne i szybkie decyzje stabilizacja sytuacji fitosanitarnej w przypadku występowania chorób lub wykonanie zestawu zabiegów agrotechnicznych w celu złagodzenia sytuacji stresowych w uprawach spowodowanych innymi czynnikami.
Kolejnym ważnym kierunkiem stosowania BVS jest ich zastosowanie w środkach ochrony roślin. Po raz pierwszy UAV w postaci bezzałogowych zdalnie sterowanych helikopterów zaczęto stosować w Japonii na początku lat 90. do opryskiwania pól ryżowych pestycydami. Obecnie w Chinach, które są liderem w produkcji dronów rolniczych, powierzchnia upraw przy pomocy BSP przekracza już kilka milionów hektarów. Dynamicznie rozwija się również rynek UAV na całym świecie, wielkość wykorzystania tych statków powietrznych wzrasta rocznie o 400-500%. Zdaniem ekspertów wykorzystanie technologii UA w rolnictwie na świecie osiągnie wartość rynkową 5,7 mld dolarów.
Z dronów rolniczych rynek zdominowany jest przez chińską firmę DJI, a najczęściej spotykanym modelem jest DJI Agras T16.
Ze względu na to, że większość części UAV tego modelu wykonana jest z materiałów kompozytowych, waga urządzenia nie przekracza 18,5 kg (bez akumulatora). Przy zastosowaniu środków ochrony roślin przy napełnianiu zbiornika płynem roboczym masa startowa maszyny osiąga 41 kg. Pojemność zbiornika na płyn roboczy wynosi 16 litrów, gdy belka wyposażona jest w osiem dysz. Zaletą tego modelu drona jest to, że jest on wyposażony w radary, co drastycznie zmniejsza ryzyko zderzenia z przeszkodami, a także zapewnia możliwość pracy w nocy, z wykorzystaniem reflektorów. Optymalna wysokość lotu drona nad polem to 2,5-3 metry, a w razie potrzeby urządzenie może wznieść się do 30 metrów (maksymalna wysokość lotu w poziomie). Ta wysokość jest niezbędna do leczenia wieloletnich plantacji, roślin w ogrodach botanicznych i lasach przed szkodnikami i chorobami.
W Federacji Rosyjskiej uzyskano pozytywne wyniki stosowania BVS do zwalczania mysich gryzoni (badania przeprowadzono z udziałem VIZR i firmy Ginus). Testy produkcyjne zdalnego monitorowania i geokodowanej aplikacji rodentycydów w norach mysiopodobnych gryzoni wykazały, że dokładność nowej technologii w porównaniu z aplikacją ręczną wynosi 91% w porównaniu do 97%.
Zebrano praktyczne doświadczenia dotyczące wykorzystania BVS do zdalnego monitoringu obszarów występowania barszczu Sosnowskiego, a także wykorzystania technologii oprysków herbicydowych przeciwko temu szkodliwemu gatunkowi.
Pomimo pozytywnych rezultatów i perspektyw wykorzystania UR w rolnictwie, istnieją niedociągnięcia, a także nierozwiązane kwestie w zakresie aktów prawnych i aktów normatywnych dotyczących ich efektywnego i bezpiecznego stosowania do zdalnego monitoringu i ochrony roślin, a mianowicie:
- wysoki koszt UAV z ryzykiem utraty aparatury podczas wykonywania prac;
- prawne ograniczenia użytkowania: w większości krajów świata UAV podczas wykonywania pracy musi znajdować się w zasięgu wzroku operatora (odległość nie większa niż 500 metrów);
- konieczność rejestracji, zarejestrowania urządzenia (w większości krajów, jeśli jego masa przekracza 25 kg) oraz uzyskania licencji na wykorzystanie UAV do celów komercyjnych;
- konieczność posiadania dodatkowego kosztownego sprzętu i wykwalifikowanego personelu: dla nieprzerwanej i wydajnej pracy UAV konieczne jest posiadanie co najmniej trzech dodatkowych akumulatorów, generatora do ich ładowania; co najmniej trzy osoby są zaangażowane w obsługę jednego samochodu;
- duża zależność od warunków meteorologicznych. Przy wietrznej pogodzie sterowanie aparatem jest bardzo trudne, zwłaszcza przy silnym bocznym wietrze;
- brak zalegalizowanych przepisów dotyczących stosowania środków ochrony roślin z wykorzystaniem BVS zgodnie z wymogami ustawy federalnej nr 109 „O bezpiecznym obchodzeniu się z pestycydami i agrochemikaliami”;
- brak dokumentów regulacyjnych dotyczących bezpiecznej eksploatacji UAV w rolnictwie;
- brak standardów ryzyka ubezpieczeniowego dla osób prawnych i osób fizycznych przy stosowaniu środków ochrony roślin z pomocą BVS;
- wysoka cena i brak oprogramowania do rozwiązywania problemów zdalnego monitorowania fitosanitarnego chwastów, szkodników i chorób z uwzględnieniem ekonomicznych progów szkodliwości, a także automatycznego dekodowania ich wyników.
Istnieje pilna potrzeba stworzenia regionalnych ośrodków szkolenia operatorów i zatwierdzania produkcji procedur technologicznych wykorzystania BSP do monitorowania i ochrony roślin.
W ramach cyfryzacji programów rolniczych konieczne jest przyspieszenie tworzenia dużych baz próbek referencyjnych chwastów znajdujących się w najbardziej podatnej fazie rozwojowej na stosowanie herbicydów oraz próbek referencyjnych z charakterystycznymi oznakami informacyjnymi uszkodzeń głównych upraw przez szkodniki. Równie ważne jest uzupełnienie tworzenia bibliotek obrazów spektralnych roślin zdrowych i chorych z uwzględnieniem wpływu poziomu nawożenia mineralnego oraz parametrów agroklimatycznych.
Anatolij Łysow, Kierownik Laboratorium Zintegrowanej Ochrony Roślin, VIZR, e-mail: lysov4949@yandex.ru