Цифровой фитомониторинг (цифровой мониторинг засоренности) – это оперативный инструмент оценки фитосанитарной ситуации аграрных и природных экологических систем (в т.ч. засоренности), реализуемый посредством оптического (машинного) зрения с целью своевременного и рационального применения средств защиты растений (гербицидов).
Установление видового состава сорняков инструментальным или цифровым способом – важный элемент определения стратегии защитных мероприятий в севообороте, тактики защиты посевов сельскохозяйственных культур или борьбы с инвазивными видами сорных растений в природных экологических системах с учетом ботанико-географического районирования и почвенно-климатических отличий местности.
Инструментальный мониторинг засоренности агроэкосистем. Ежегодные маршрутные обследования посевов сельскохозяйственных культур на засоренность, проводимые лабораторией гербологии РУП «Институт защиты растений» за 1-2 недели до уборки зерновых культур (инструментальным способом), позволяют оценить структуру засоренности в конце вегетационного сезона и составить прогноз о развитии фитосанитарного состояния засоренности агроэкосистем на будущий год с целью формирования актуального ассортимента гербицидов. Основным недостатком классического инструментального метода проведения мониторинга засоренности являются высокие временные затраты.
Долгосрочный мониторинг (маршрутные обследования) проводятся с учетом агроклиматических зон республики по Смеяну Н.И., 1989, по общепринятой методике. По диагонали каждого поля накладываются учетные рамки 0,25 м2, в посевах площадью до 50 га – 10 шт., от 50 до 100 га – 15, при этом определяется видовой состав сорняков, их численность и встречаемость. Однако зачастую во многих регионах преобладают поля неправильной формы с мелкой контурностью. В таких случаях направление движения выбирается произвольно по «условной диагонали». При выполнении учета несколькими группами каждая группа движется по своей «условной диагонали». На полях с причудливой формой («балалайка» или «гантеля») наложение учетных рамок осуществляется произвольно.
Так, для проведения полного обследования засоренности зерновой группы культур (озимых: пшеницы, тритикале, ржи и ячменя; яровых: пшеницы, тритикале, ячменя и овса), а также люпина, сои и кукурузы по республике за 1-2 недели до уборки зерновых, экспедиционная группа из 6-7 человек ранее затрачивала 14 дней, в последние 7-10 лет – около 7 дней. Повышение производительности не случайность, а следствие расширения комплектации и эволюции экипировки. Например, туристическая палатка на время обследования становится домом для членов экспедиции, а значит, является важнейшим элементом снаряжения. Замена старых брезентовых палаток на легкие современные многофункциональные образцы, оснащенные непромокаемым днищем и накомарниками, кроме комфорта, позволила значительно сократить время на разбивку/свертывание лагеря для ночлега. Основа экспедиции – это команда единомышленников с четким укладом и распределением обязанностей, взаимодополняющих друг друга. Во время проведения экспедиции в команде важны морально-психологическая совместимость, волевые качества сотрудников, выносливость и способность выполнять поставленную задачу в неблагоприятных условиях.
Концептуальный цифровой мониторинг засоренности с помощью БПЛА. Большим подспорьем для мониторинга аграрных и природных экосистем, а также других технологических процессов в сельскохозяйственном производстве в скором времени станут дроны.
Аэрофотосъемка может осуществляться компактными дронами-миссии (в том числе DJI серий Mavic Enterprise – Mavic 3 Multispectral и Phantom 4 Multispectral; XAG X Mission; ЗАО «АТК» A10-X1) с использованием камер соответствующего разрешения или специальным модулем дрона-опрыскивателя. Кроме того, могут использоваться и автономные камеры Parrot Sequoia, Micasense RedEdge, Mapir и др. Функционал автономных камер позволяет выполнять мониторинг как в режиме высокого разрешения снимков для идентификации и подсчета видов сорняков, так и в мультиспектральных режимах с использованием различных индексов растительности NDVI, NDRE, SAVI, OSAVI, «карта хлорофилла» и др.
Значительным препятствием при применении цифрового мониторинга аграрных, а тем более природных экосистем в масштабах республики является неготовность общей цифровой инфраструктуры, в том числе общего цифрового картирования полей и других территорий. В результате чего ограничивается возможность использования дронов для аэрофотосъемки в автоматическом режиме. Однако функционал современных дронов позволяет выполнять аэрофотосъемку засоренности посевов в ручном режиме. Причем использование автономных камер позволит фиксировать координаты точек аэрофотосъемки, что немаловажно при мониторинге природных экосистем на засоренность инвазивными видами сорных растений. Кроме того, цифровой мониторинг засоренности посевов перед уборкой предполагает при необходимости тандемное использование легкого дрона-миссии для цифровой фиксации сорняков верхнего яруса и последующего применения платформы дрона-опрыскивателя (с оптической аппаратурой), способного создавать мощный воздушный поток раскрывающий полог высокостебельных культур для аэрофотосъемки засоренности среднего и нижнего ярусов посева.
Методическая часть. Внедрение в производство инновационных технологий применения средств защиты растений потребует адаптации и корректировки существующих методических указаний по проведению регистрационных испытаний средств защиты растений как инструментальным, так и цифровым методами с учетом технических возможностей дронов-, вездеходов- и роботов-опрыскивателей.
Классические инструментальные методы учета засоренности при оценке биологической эффективности гербицидов, принятые в гербологии для сегетальных сорных растений (1. Количественный; 2. Глазомерный; 3. Количественно-весовой), не всегда пригодны для учета эффективности гербицидов против рудеральной (в т.ч. инвазивной) растительности. Территории несельскохозяйственного пользования в зависимости от назначения выделяются неравномерностью и неоднородностью произрастания рудеральных (инвазивных) сорных видов и подлеска, поэтому классические количественный и количественно-весовой методы учета сегетальных сорных растений, принятые в гербологии, не всегда охватывают (отражают) видовое разнообразие опытного участка с рудеральной и инвазивной растительностью и требуют применения гибридного метода учета (количественного и количественно-весового совместно с глазомерным). Суть гибридного метода учета заключается в том, что классические количественный и количественно-весовой учеты дополняются общей глазомерной оценкой присутствия вида травянистой растительности или древесно-кустарниковой породы на общей площади делянки в % и экстраполяции к учетной площади скользящих площадок. Соотношение данных о присутствии вида на (S общ) к (S уч. пл-к) компенсируется добором (вне учетных площадок) или исключением (из учетных площадок) отдельных экземпляров вида. Например, общее проективное покрытие золотарником канадским на опытной делянке оценивается исследователем в 30%, а присутствие в общей учетной площадке (сумма скользящих площадок) данного вида 10%, разница компенсируется добором 20% вне учетных площадок. Следует отметить, что гибридный метод учета засоренности может с успехом применяться и в полевых опытах по изучению эффективности гербицидов.
При закладке регистрационных испытаний гербицидов (десикантов) с помощью БПЛА размер делянки будет зависеть от технических характеристик дрона-опрыскивателя (типа установленной опрыскивающей аппаратуры), контурности и размера участка, а также от типа и характера засоренности. Опыты должны закладываться в 2-3-кратной повторности. Ширина обрабатываемой делянки – 1-2 прохода агродрона. В производственных и демонстрационных опытах размер делянки кратный обработке за один вылет равный 10-15 мин или 2-3 га. В полевых опытах при применении станции RTK минимальный размер делянки от 200-500 м2; без применения станции RTK – от 500-700 м2.
Важным условием при обработке вегетирующих рудеральных (инвазивных) сорных растений (находящихся в уязвимой фазе) для стабильного гербицидного эффекта в пределах 80-90% проникающая способность шлейфа рабочего раствора, диспергируемого агродроном, должна быть на всю глубину сорного комплекса растений. При выборе нормы вылива рабочего раствора и нормы расхода по гербициду нужно учитывать плотность одревесневших растительных остатков рудеральных (инвазивных) растений предыдущих вегетационных сезонов, при этом густота покрытия целевых объектов по числу капель должна составлять ≥ 20 шт./см2. Основная фракция распыленной дисперсной среды – капли с низким поверхностным натяжением, диаметром 120–150 мкм.
Заключение. Таким образом, цифровой мониторинг фитосанитарной ситуации аграрных и природных экосистем (в том числе засоренности сельскохозяйственных посевов и других территорий), – важный элемент цифровизации технологий производства продукции растениеводства и защиты растений в целом.
Переход с инструментального на цифровой мониторинг аграрных и природных экосистем возможен посредством оптического (машинного) зрения, реализуемого с помощью БПЛА или наземных технических средств (в т.ч. беспилотных транспортных средств, роботизированных платформ, тракторов, машинно-тракторных агрегатов и автомобилей с приводом от ДВС, на гибридной или электротяге), что позволит сократить временные затраты при проведении маршрутных обследований посевов сельскохозяйственных культур и других территорий. При этом автоматизация наблюдений за фитосанитарным состоянием посевов, в том числе засоренности оптическим способом, позволит повысить точность прогнозирования появления целевых объектов для рационального применения средств защиты растений (гербицидов).
Руслан КОРПАНОВ,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ведущий научный сотрудник
РУП «Институт защиты растений», Республика Беларусь
