Оптическое (машинное) зрение – это процесс сбора оперативной полевой (дорожной) информации посредством датчиков, оптических или сенсорных систем с целью составления маршрутов полета БПЛА, маршрутов движения автомобилей и машин, машинно-тракторных агрегатов (МТА) или роботизированных платформ, составления картограмм, оценки фитосанитарной ситуации в поле (в т.ч. определение количественного и качественного типа и характера засоренности), отслеживание положения курса движения МТА (в т.ч. роботизированных платформ и беспилотных транспортных средств) согласно заданию при выполнении технологической операции (посева, посадки, уборки, послеуборочной доработки сельхозкультур, транспортировки грузов или перевозки людей), корректировки норм вносимых удобрений и СЗР. Оптическое (машинное) зрение является частью системы глобального позиционирования, основа которого – точное ведение воздушного судна (в т.ч. БПЛА) или наземного агрегата (автомобиля или машины, роботизированной платформы) по рабочему участку (для БПЛА – по галсам, для малой авиации и МТА – по загонам).
Аэрофотосъемка – инструмент точного земледелия. Аэрофотосъемка с использованием БПЛА – наиболее дешевая и оперативная альтернатива использованию спутников при проведении картографирования, мониторинга посевов и почв на уровне отдельных полей, поскольку обеспечивает высокое пространственное разрешение и возможность съемки в периоды с сильной облачностью.
Аэросъемка находит все более широкое применение в сельскохозяйственном производстве, что позволяет осуществлять наблюдение за удаленными и труднодоступными участками посевов, ландшафтное картографирование с целью определения контуров полей и рельефа местности для последующего проведения пространственно-временного анализа, оценку состояния посевов и выявление неоднородностей на поле. Кроме того, с помощью аэросъемки можно проводить анализ рельефа пахотных земель, составлять или обновлять карты уклонов и высот, проводить гидрологический анализ, строить трехмерные модели ландшафта, а также проводить инвентаризацию и аудит земельных угодий.
При подготовке почв к посеву и посадке аэрофотосъемка дает возможность контролировать качество выполнения почвообрабатывающих операций, выявлять огрехи и пропуски на рабочих участках. С появлением первых всходов аэросъемка позволяет производить оценку прироста биомассы и составлять карты индексов вегетации, что позволяет разрабатывать стратегию дифференцированного внесения удобрений и средств защиты растений. С помощью аэросъемки в период роста и развития культурных растений возможно оценивать прирост и строить прогноз урожайности культур, выявлять очаги сорной растительности, болезней, вредителей. Во время уборки урожая аэросъемка позволяет осуществлять мониторинг за процессом уборки и послеуборочной обработки полей.
Аэрофотосъемка может применяться для оценки качества технологических операций, например, качества посева по равномерности и дружности всходов, для выявления участков нуждающихся в пересеве (может определяться как количество растений в рядке, так и расстояние между рядками), что очень важно для обеспечения оптимальной зоны питания и технологического прохода по междурядьям техники по уходу за растениями.
В настоящее время существующие технологии дифференцированного внесения удобрений и химических средств защиты растений в системе точного земледелия реализованы, как правило, наземной техникой. Однако предназначенные для этого машины невозможно использовать при повышенной влажности почвы, на полях со сложным рельефом, горных склонах, в поздние периоды роста и развития зерновых, бобовых и высокостебельных культур (кукуруза, подсолнечник, рапс) и в сжатые агротехнические сроки из-за низкой производительности, что приводит к рискам, связанным с недобором урожая, снижением его качества и убыткам сельхозтоваропроизводителей.
В этой связи особую актуальность приобретает использование БПЛА в системе точного земледелия не только для составления карт-заданий, сплошного опрыскивания и разбрасывания гранулированных удобрений, но и для дифференцированного или выборочного интеллектуального внесения СЗР и удобрений.
Дифференцированное внесение. Режим дифференцированного внесения СЗР дронами-опрыскивателями предполагает предварительное электронное картирование схемы расположения полевого сорного ценоза или одновидового (инвазивного) засорения с помощью дрона-миссии (путем оценки вегетационного индекса NDVI) или оптического сканирования в режиме реального времени непосредственно агродроном с одновременным внесением гербицида по куртинной засоренности или отдельно стоящим агрессивно распространяющимся (инвазивным) растениям. Предварительное электронное картирование может осуществляться как дроном-миссии, так и специальным модулем дрона-опрыскивателя.
Дифференцированное внесение агродронами может быть:
– избирательным без изменения нормы вылива (по месту локализации засоренности, установленному оптическим способом);
– сплошным с изменением нормы расхода гербицида (нормы вылива). При низкой засоренности (плотности стеблестоя) применяется минимальная разрешенная «Государственным реестром средств защиты растений и удобрений, разрешенных к применению на территории Республики Беларусь» норма расхода гербицида, при высокой – максимальная. При использовании вегетативного индекса для десикации норма расхода будет изменяться с определенным интервалом в зависимости от количества выделенных при картировании цветовых зон.
Другими словами, режим дифференцированного внесения в большей мере обеспечивает соблюдение принципа экологичности применения СЗР. Чем меньше препарата попадает на почву, тем экологически безопаснее технология внесения СЗР.
Дифференциация норм расхода препаратов в зависимости от картограмм плодородия конкретного поля применима не только к регуляторам роста и фунгицидам, но и к десикантам, например, при десикации поздно убираемой сои и других культур. В зависимости от фона азотного питания как симбиотического, так и минерального, согласно элементарным участкам поля по плодородию, соя в масштабах конкретного поля созревает неравномерно, что потребует в зависимости от конкретного вегетационного сезона проведения избирательной (отдельных локальных участков) или дифференцированной десикации (в интервале разрешенных «Государственным реестром…» норм расхода гербицидов в зависимости от выделенных зон при картировании).
Мультиспектральная съемка в сельском хозяйстве. БПЛА широко используют для получения оперативной информации о состоянии сельскохозяйственных угодий: оценки состояния биомассы растений, распознавания ареалов распространения болезней и вредителей культурных растений, оценки эродированности и влажности почвы, содержания в ней основных питательных элементов, состояния почвенного покрова (изреженность посевов после перезимовки, их полеглость, фенофазы развития растений).
Для большинства этих целей может быть использована мультиспектральная съемка, которая проводится с помощью мультиспектральной камеры с сенсором, разделяющим свет на разные спектры. В результате съемки на каждый кадр формируется монохромные снимки, количество которых зависит от количества каналов камеры. Анализ информации со снимков происходит в геоинформационных программах с помощью индексов: NDVI, NDRE, SAVI, LAI. Основное применение съемки – определение состояние растений. В здоровых растениях происходит процесс фотосинтеза, при котором активно поглощается красный и отражается инфракрасный (ИК) свет. Фотосинтез нарушается в результате болезни, засухи или нехватки удобрений (элементов питания), что влияет на интенсивность поглощения и отражения. Как раз такие изменения фиксирует мультиспектральная камера, причем раньше, чем это будет видно человеческому глазу, то есть до пожелтения.
По литературным данным, спектральная информация помогает оценить распространение таких инвазивных растений, как золотарник канадский, мелколепестник канадский, амброзия полыннолистная или борщевик Сосновского, что позволяет спланировать работы по их уничтожению.
Преимущества мультиспектральной съемки с БПЛА – это детальность и скорость получения снимков. Для съемки с воздуха применяют легкие камеры с 3-8 сенсорами. Популярные мультиспектральные камеры для БПЛА: Parrot Seqioa, Micasense RedEdge, Mapir и др.
Диапазоны каналов мультиспектральной съемки. В мультиспектральных камерах используют 4-6 диапазонов в зависимости от целей применения. Для оценки состояния здоровья используют красный (650 нм) и инфракрасный диапазон (800 нм), для определения нехватки удобрения или начала сбора урожая – зеленый диапазон (550 нм), для выявления болезней из-за нехватки кислорода в почве – дальний красный (720 нм).
Заключение. Таким образом, сегодня аэрофотосъемка, выполняемая при помощи БПЛА (дроном-миссии или специальным модулем дрона-опрыскивателя), активно внедряется сельхозтоваропроизводителем для контроля технологических процессов и общей оценки состояния посевов. Однако недостаточно внимания уделяется оптической и мультиспектральной съемке для мониторинга засоренности посевов сельскохозяйственных культур и распространения инвазивных сорных растений. Кроме того, актуальным направлением для разработки и исследований являются системы дифференцированного или избирательного интеллектуального внесения средств защиты растений с учетом количественного и качественного состава сорняков, степени готовности культуры к уборке перед десикацией, что обеспечит резерв соблюдения принципа экологической безопасности применения СЗР.
Руслан КОРПАНОВ,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент,
ведущий научный сотрудник РУП «Институт защиты растений», Беларусь
