Одной из сфер гражданского применения беспилотной авиации является агропромышленный комплекс. Согласно находящимся в открытом доступе документам организаций Европейского союза потребительский спрос на применение БПЛА в сфере сельского хозяйства и лесничества в период с 2015 по 2020 г. составил 13%. В сельском хозяйстве используют два вида БПЛА, отличающиеся конструкцией и летными характеристиками:
- самолетного типа, или «летающее крыло», - наиболее удобный вариант для облёта больших территорий. Характеризуются высокими аэродинамическими показателями, наиболее подходят для мониторинга протяженных объектов или съемки в условиях значительного удаления. Однако из-за особенностей конструкции данный вид беспилотников должен быть в постоянном движении, поэтому не может работать в режиме зависания над объектом, а также осуществлять съемку на ограниченных территориях;
- коптерные беспилотники, или дроны, - могут оснащаться различным количеством винтов, что позволяет справляться с точечной съемкой в одном месте для обследования небольшого земельного участка, трехмерного моделирования, опрыскивания. Квадрокоп- теры отличают простая конструкция, стабильность полета, надежность. К недостаткам БПЛА этого вида можно отнести небольшую скорость и ограниченное время полета из-за чего радиус действия их меньше, чем самолетных дронов.
Технологично оснащенные беспилотники способны выполнять следующие операции [65]:
- аэрофотосъемка, которая благодаря небольшой высоте полета является более детальной, чем съемка со спутника. Кроме того, беспилотные системы позволяют снимать даже в условиях порывистого ветра и облачности;
- видеосъемка - производительность летательного аппарата при этом достигает 30 км/ч, что снижает временные и финансовые затраты по сравнению с использованием наземных видов обследования;
- мультиспектральная съемка и создание карт вегетационных индексов (NDVI, PVI, WDI, SAVI, LAI и др.), по которым можно оценить объем и прирост биомассы, содержание азота и хлорофилла в листьях растений;
- 3D-моделирование - позволяет определять переувлажненные или засушливые территории, выемку грунта, создавать планы и карты увлажнения или осушения почвы, рекультивации участков или мелиорации земель;
- тепловизионная съемка с применением всего спектра инфракрасного излучения: ближнего, среднего и дальнего диапазона. Дает возможность определять сроки дифференцирования точек роста, что напрямую влияет на урожайность и сохранение продуктивных свойств растений с сохранением наследственных возможностей сорта;
- лазерное сканирование - применяется для анализа местности на труднодоступных или недоступных территориях. Обеспечивает получение точной модели высокой плотности с детальным отображением рельефа при работе в условиях сильной загущенности насаждений;
- точечное опрыскивание - позволяет обрабатывать только больные растения, исключая попадание химикатов на остальной урожай.
В БПЛА используется аэродинамический принцип создания подъемной силы с помощью фиксированного или вращающегося крыла (БПЛА самолетного и вертолетного типа). Летательный аппарат оснащен двигателем и имеет полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач.
Способы управления беспилотными летательными аппаратами:
- ручное (дистанционное пилотирование) - осуществляется оператором с дистанционного пульта управления в пределах оптической наблюдаемости или по визуальной информации, поступающей с видеокамеры переднего обзора;
- автоматическое - обеспечивает возможность полностью автономного полета БПЛА по заданной траектории на заданной высоте с заданной скоростью и стабилизацией углов ориентации. Осуществляется с помощью бортовых программных устройств;
- полуавтоматическое (дистанционное управление) - осуществляется автоматически без вмешательства человека с помощью автопилота по первоначально заданным параметрам, но при этом оператор может вносить изменения в маршрут в интерактивном режиме. Таким образом, оператор имеет возможность влиять на результат функционирования, не отвлекаясь на задачи пилотирования.
Последние два способа в настоящее время наиболее востребованы со стороны пользователей беспилотных систем, так как предъявляют наименьшие требования к подготовке персонала и обеспечивают безопасную и эффективную эксплуатацию систем беспилотных летательных аппаратов. Полностью автоматическое управление может быть оптимальным решением для задач аэрофотосъемки заданного участка, когда нужно снимать на большом удалении от места базирования вне контакта с наземной станцией. Применение аэрофотосъемки с БПЛА в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах обеспечивает решение широкого спектра задач для сельского хозяйства, например:
- уточнение границ сельскохозяйственных земель, контуров полей и посевных площадей позволяет более точно рассчитывать затраты на выполнение агротехнических операций и расходы на агрохимикаты;
- выделение локальных участков угнетенной растительности на поле под влиянием различных неблагоприятных факторов дает возможность увидеть очаги угнетенности, которые невозможно определить с земли. Для точного определения её причин после выделения ареала угнетенности проводят наземные исследования. Раннее определение очагов угнетенности позволяет произвести корректировку агротехнологий с целью сохранения урожая или адресную обработку посевов для экономии агрохимикатов;
- определение участков полей, подверженных водной эрозии, позволяет скорректировать агротехнологию для предотвращения деградации почвенного слоя. Аэрофотосъемку проводят в ранневесенний период, сразу после схода снега.
На основе аэрофотосъемки в программном обеспечении Agisoft Photoscan возможно построить высокоточную цифровую модель рельефа и затем смоделировать движение водных потоков по поверхности поля (рис. 14). Данная информация позволяет оценить объемы возможного выноса питательных веществ с поверхности при различных погодных условиях и рассчитать объем работ по профилированию поля.
Рис. 14. Моделирование движения водных потоков
Своевременно проведенный контроль выполнения агротехнических операций с помощью аэрофотосъемки позволяет избежать потерь потенциально возможной урожайности, а полученная информация и принятые на её основе оперативные решения - использовать весь потенциал поля и возделываемой культуры.
Видеомониторинг, осуществляемый спутниками, коптерами посредством гиперспектральной, инфракрасной, тепловой съёмки информирует о биофизических параметрах растений: площади листовой поверхности, стрессовом состоянии растений при повреждении вредными объектами, видовом составе и густоте стояния сорной растительности. Своевременно выявляются участки с риском возможного повреждения или гибели посевов, производится картографирование зоны поражения [8].
Разработка метода дистанционного мониторинга наиболее опасных заболеваний картофеля с фиксацией их на ранних стадиях на основе применения тепловизоров, работающих в видимой и инфракрасной областях спектра, облегчит решение задачи ранней Диагностики развития болезней и дифференцированного внесения пестицидов [66]. В интересах точного земледелия постоянно создаются и совершенствуются как сами аппараты (дроны), так и программное обеспечение, позволяющее в сжатые сроки собирать и обрабатывать полученные данные. Для оценки индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index - нормализованный относительный индекс растительности), по которому можно судить о развитии биомассы растений во время вегетации, мелкие и средние хозяйства используют в течение всего вегетационного сезона готовые спутниковые снимки или съемку с дронов. Рынок агрономической аэросъемки имеет намного больший объем, чем рынок картографии. Карту поля обычно делают один раз в 5-10 лет, а съемку растений проводят от 5 до 20 раз за сельскохозяйственный сезон в зависимости от глубины внедрения технологий. Услуга перевода полученных данных аэросъемки с цифровых носителей на понятный агроному язык востребована во многих странах.
Компания «АгроДрон Групп» после многократных исследований в полях Южного и Центрального округов России запатентовала интерпретационный алгоритм, вычисляющий конкретное содержание азота в листьях растений [67]. В планах компании создание облачного сервиса, куда можно будет загружать данные, полученные в ходе профессионального облета полей, а затем получать их в виде понятной информации в личном кабинете. Визуальное распознавание болезней по видеоснимкам более эффективно при наличии библиотеки снимков болезней.
В настоящее время производители беспилотных систем для аэрофотосъемки и видеонаблюдения в России представлены небольшим числом компаний. Среди них можно выделить «Беспилотные технологии» (г. Новосибирск), «Геоскан» (г. Санкт-Петербург), «Автономные аэрокосмические системы — «ГеоСервис» (г. Красноярск) и «Zala Аего» (г. Ижевск). Спектр услуг, предоставляемых данными компаниями для сельского хозяйства, достаточно широк. Например, компания «Геоскан» предлагает несколько пакетов услуг по специализированной аэрофотосъемке, которая выполняется с БПЛА Геоскан 201 одновременно двумя фотокамерами в видимом и ближнем ИК диапазонах. Полученные данные обрабатываются с помощью Agisoft Metashape Pro и ГИС Спутник.
При повышенной влажности почвы, на сложных рельефах поля, горных склонах, в поздние периоды роста и развития высокостебельных культур, при высокой плотности растений картофеля использование наземной техники для осуществления технологии дифференцированного внесения удобрений и химических средств защиты растений в системе точного земледелия затруднительно. В этой связи особую актуальность приобретает использование БПЛА не только для составления карт-заданий, но и дифференцированного внесения удобрений и пестицидов. В этих целях можно использовать дрон с дистанционными цветными видеозаписями с привязкой к местности для визуального анализа снимков, с навигацией, видеокамерами и устройством, которое поможет распылять пестициды на поля с воздуха по команде оператора, опрыскивать поля микроудобрениями, регуляторами роста и защитными препаратами. Преимущество такой техники заключается в том, что она может применяться не только для распыления защитных препаратов, но и контроля посадок и своевременного определения сроков и участков обработки. Установленная на дроне видеокамера позволяет проводить видеосъемку посадок картофеля. Проанализировав ее, можно оценить обстановку и определить болезни и их распространённость. Детальный просмотр частей растений, например листьев, позволяет немедленно проанализировать фотографию, принять необходимые меры для подтверждения потенциального заболевания и принятия соответствующих действий по его устранению [11, 68-70].
Гексакоптер OSA НЕХА В-1 (Компания «Бозон Аэро») предназначен для проведения автоматизированного ультрамалообъемного внесения пестицидов и агрохимикатов. В процессе работы контролирует уровень жидкости и заряда, автоматически возвращается на базу для дозаправки и замены батарей.
К преимуществам дронов-опрыскивателей можно отнести ультрамалообъемное внесение ХСЗ, точечную обработку проблемных участков, автоматизированное управление с помощью программного обеспечения на ноутбук или планшет.
В последние годы для авиационного внесения пестицидов стали применять сверхлегкие и легкие летательные аппараты. Одним из перспективных легких винтокрылых летательных аппаратов для внесения жидких средств химизации является автожир (винтокрылый летательный аппарат, использующий для создания подъёмной силы свободно вращающийся в режиме авторотации несущий винт) тянущей или толкающей схемы, сочетающий в себе свойства самолета и вертолета. В ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработан автожир с устройством, обеспечивающим автоматизированный процесс внесения жидких средств химизации модульной конструкции с нормой внесения ЖСХ 10-20 л/га, рабочей скоростью полета 70-100 км/ч, шириной распределения ЖСХ -8 м, высотой полета при обработке 1-1,5 м. При рациональных значениях длины гона участков поля от 1 до 2,6 км в пределах расстояния подлета к полю 0,6-1,5 км наибольшая производительность обработки сельскохозяйственных культур составляет от 37 до 43 га/ч [71].
Для дифференцированного внесения удобрений и пестицидов наиболее целесообразно использовать БПЛА вертолетного и винтокрылого типов, летающие на малых скоростях (30-40 км/ч) и небольших высотах (0,5-1,5 м) с большой полезной нагрузкой (300- 400 кг), поскольку они наиболее полно соответствуют экологическим и природоохранным требованиям. В результате проведённых исследований ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработаны основные требования к качеству выполнения технологической операции по дифференцированному внесению удобрений и пестицидов с помощью беспилотных летательных аппаратов:
- нормы внесения рабочих жидкостей:
- удобрений - 50-200 л/га с дискретностью доз 10-15 кг д.в/га (25-40 л/га),
- пестицидов - 10-20 л/га с дискретностью доз 5 л/га;
- медианно-массовый диаметр капель - 250-300 мкм;
- неравномерность распределения рабочей жидкости по ширине захвата - не более 15%;
- снос рабочих жидкостей за пределы обрабатываемого участка - не более 20%;
- время установки заданной дозы на границах выделенных участков - не более 1,1с;
- рабочая скорость полета - не более 40 км/ч;
- высота полета при внесении удобрений и пестицидов - 1-1,5 м [72].
Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве позволяет решить широкий круг задач и повысить эффективность выращивания сельхозпродукции. Оценка мелиоративного и фитосанитарного состояния посевов по данным аэрофотосъемки - перспективное направление при разработке новых технологических приемов ведения сельскохозяйственного производства. Особую актуальность приобретает использование БПЛА для дифференцированного внесения удобрений и пестицидов в системе точного земледелия.
Расписание
8. Васильченко А.В. Инновации и цифровизация в защите растений // Плодоводство и виноградарство Юга России. - 2020 г. - № 61 (1). - С. 161-172.
11. Старовойтов В.И., Башилов А.М., Андержанов А.Л. Автоматизация контроля качества картофеля, овощей и плодов. - М.: Агропромиздат, 1987. - 200 с.
66. Лысов А.К. Актуальные проблемы механизации технологических процессов защиты растений // Защита и карантин растений. - 2014. - № 4. - С. 66-68.
67. Старовойтов В.И., Старовойтова О.А., Балабанов В.И., Манохина А.А. Оптический полевой мониторинг в оригинальном картофелеводстве // Наука в центральной России. - 2019. - № 6 (42). - С. 91-99.
68. Личман Г.И., Марченко Н.М. Космический мониторинг в системе точного земледелия // С.-х. машины и технологии. - 2010. - № 1. - С. 27-31.
69. Марченко Н.М., Личман Г.И. Многофункциональный диагностический агрегат // Сел. механизатор. - 2015. - № 9. - С. 14-15.
70. Jacquemoud S. Leaf optical properties: Astate of the art // In: Presented at 8th Int. Symp. Physical Measurements & Signatures in Remote Sensing. - Aussois. - France. - 2001. - P. 223-232.
71. Годжаев З.А., Марченко Л.А., Степанов Б.Е., Козлова А.И. Автожир для внесения жидких средств химизации и обоснование его технологических параметров // С.-х. машины и технологии. - 2016. - № 2 - С. 22-27.
72. Марченко Л.А., Личман Г.И., Смирнов И. Г., Мочкова Т.В., Колесникова В.А. Дифференцированное внесение удобрений и пестицидов с использованием беспилотных летательных аппаратов // С.-х. машины и технологии. - 2017. - № 3. - С. 17-23.
Источник: Старовойтова О.А., Старовойтов В.И., Мишуров Н.П., Щеголихина Т.А., Манохина А.А., Воронов Н.В., Технологии внесения удобрений и применения средств защиты при возделывании картофеля: аналит. обзор. - М.: ФГБНУ "Росинформагротех", 2020.- С. 66-73
