Meer dan honderd jaar geleden, in de zomer van 1922, vertrok een vliegtuig met apparatuur voor het uitvoeren van chemische werkzaamheden vanuit de lucht door te sproeien tegen ongedierte en ziekten vanaf het Khodynsky grootstedelijke vliegveld. Succesvolle testvluchten markeerden het begin van de ontwikkeling van de landbouwluchtvaart.
Tegenwoordig is het gebruik van verschillende luchtvaartmiddelen voor gewasbescherming van groot economisch belang, omdat het de mogelijkheid biedt om:
— grootschalige monitoring op afstand van landbouwgewassen;
- beschermingsmaatregelen op korte termijn en op moeilijk bereikbare plaatsen tegen bijzonder gevaarlijke plagen (sprinkhaan, weidemot, muisachtige knaagdieren, coloradokever, schadelijke schildpad) en ziekten (bruine roest, Phytophthora, alternariose);
- grondbewerking met sterk bodemvocht, wanneer grondwerktuigen het veld niet kunnen betreden, vooral bij de bestrijding van onkruid;
– verwerking van hoge gewassen (maïs, zonnebloem) en zaaien van zaadgewassen;
— verwerking van rijstvelden;
- uitdroging;
– verwerking van gewassen op hellingen met een hellingshoek van meer dan 7 graden, waar grondspuitapparatuur niet kan werken.
In de Sovjet-Unie was de basis van de landbouwluchtvaartvloot de AN-2. Momenteel evolueert de ontwikkeling van de landbouwluchtvaart naar een aanzienlijke uitbreiding van het gebruik van ultralichte vliegtuigen (ALV's) en onbemande luchtvaartuigen (UAV's), die veel goedkoper zijn dan zware vliegtuigen. In overeenstemming met de Federal Aviation Rules en de Air Code van de Russische Federatie wordt een apparaat (vliegtuig) ultralight genoemd als het:
- maximaal startgewicht niet meer dan 495 kg (exclusief luchtvaart reddingsmiddelen);
- maximale kalibratie overtreksnelheid (minimale vliegsnelheid) niet meer dan 65 km/h.
Onder onbemande luchtvaartuigen (UAV's) vallen voertuigen waarvan de vluchten worden bestuurd door piloten die zich buiten het board bevinden (externe piloten).
Kenmerken van de juiste gebruiksmodus van de UAV worden bepaald door het maximale startgewicht:
- tot 250 g - zijn niet onderworpen aan staatsregistratie of boekhouding;
- van 250 g tot 30 kg - zijn onderworpen aan verplichte staatsboekhouding;
- vanaf 30 kg en meer - zijn onderworpen aan staatsregistratie.
Belangrijke voordelen van het gebruik van UAV en ALS zijn:
— geen verliezen door schade aan gewassen door wielen of de noodzaak om tramlijnen te gebruiken (in vergelijking met grondapparatuur);
- hoge efficiëntie terwijl de operationele kosten worden verlaagd (vergeleken met zware vliegtuigen, aangezien deze vliegtuigen geen uitgeruste vliegvelden hoeven te hebben).
Het gebruik van onbemande luchtvaartuigen helpt bij het oplossen van de volgende taken:
- het verkrijgen van gedetailleerde informatie over het creëren van een cartografische basis van landbouwgrond en het plaatsen van landbouwobjecten met hun exacte coördinaten voor het plannen en beheersen van de technologische processen van de landbouwproductie;
– het uitvoeren van monitoring op afstand op basis van multispectrale beeldvorming van de onderliggende oppervlakte van landbouwgrond om de toestand en ontwikkeling van gewassen te bepalen, opbrengsten te voorspellen op basis van de berekening van de vegetatie-index op basis van de resultaten van spectrale beeldvorming, enz.;
– real-time operationele controle over de werking van grondapparatuur en de kwaliteit van agrotechnisch werk;
– gegeocodeerde fytosanitaire monitoring van landbouwgronden om de mate van onkruidigheid van gewassen, de aanwezigheid van ongedierte en manifestaties van ziekten in een vroeg ontwikkelingsstadium, ook in een latente vorm, te bepalen;
Het gebruik van UAV voor luchtfotografie van landbouwgrond zorgt, in vergelijking met satellietbeelden, voor het verkrijgen van beelden met een hogere resolutie (tot één centimeter per punt) en, belangrijker nog, maakt het mogelijk om deze werken uit te voeren in de aanwezigheid van dichte wolken (fotograferen met ruimtevaartuigen tijdens dergelijke periodes is onmogelijk).
Laten we dieper ingaan op de fytosanitaire monitoring van gewassen. Onlangs is het volume van het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen in Rusland gestaag gegroeid: volgens statistieken zijn ze om de vijf jaar, vanaf 2010, verdubbeld en bereikten ze in 2020 221 duizend ton. Met de groei van het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen moeten landbouwbedrijven ervoor zorgen dat informatie over de fytosanitaire toestand van landbouwpercelen snel wordt verzameld en verwerkt. Zonder deze informatie is het onmogelijk om de problemen van de technologische ondersteuning voor een rationeel en veilig gebruik van gewasbeschermingsmiddelen in een kort tijdsbestek in de landbouw op te lossen. Bestaande methoden voor het inspecteren van velden langs de grond maken het niet mogelijk om de benodigde informatie snel en in de juiste hoeveelheid te verkrijgen. In dat kader wordt in het buitenland en in ons land actief gewerkt aan de ontwikkeling van krachtige methoden op afstand voor het opvragen van informatie voor het plannen en uitvoeren van gewasbeschermingsmaatregelen. Voor operationele fytosanitaire monitoring op afstand worden onbemande luchtvaartuigen het meest gebruikt, die geocodeerde video, multispectrale en hyperspectrale beelden van het onderliggende aardoppervlak leveren.
Opgemerkt moet worden dat de problemen van het gebruik van methoden voor het op afstand ophalen van informatie op het gebied van onkruidbestrijding (bepalen van de locatie van onkruid in het veld, beoordelen van oogstverliezen, in kaart brengen van schadezones) al gedeeltelijk zijn opgelost. Op dit gebied werd, in het kader van een overeenkomst over wetenschappelijke en technische samenwerking, onderzoek uitgevoerd met de medewerking van specialisten van VIZR, de University of Aerospace Instrumentation (St. Petersburg), de Samara Agrarian Academy en Ptero LLC (Moskou). Positieve resultaten zijn verkregen door het gebruik van BVS voor methoden voor het ophalen van informatie op afstand op basis van spectrometrie om de aantasting van graangewassen en aardappelplantages te beoordelen voor meer dan 20 soorten onkruid, waaronder een schadelijke soort als Sosnowsky's Berenklauw. De gegevens zijn verkregen op basis van de bepaling en analyse van de spectrale kenmerken van reflectie van gekweekte planten en onkruid in het golflengtegebied van 300-1100 nm.
Zo werden in de loop van de onderzoeken die werden uitgevoerd om bepalende kenmerken te identificeren op basis van de spectrale helderheid van reflectie van gecultiveerde planten en onkruidplanten, de meest informatieve spectrale subbereiken van golflengten van elektromagnetische straling vastgesteld voor het gebruik van multispectrale beeldvorming van het onderliggende oppervlak van landbouwgrond met behulp van moderne teledetectiesystemen. Een analyse van de spectrale beelden van onkruid en gecultiveerde planten laat zien dat we karakteristieke verschillen waarnemen in de verkregen spectrale helderheidscurven in de deelbereiken van blauwe, groene, rode en nabij-infrarode elektromagnetische straling in het nabij-infrarood deelbereik van golflengten.
Een moeilijkere taak voor het wijdverbreide gebruik van methoden voor teledetectie van landbouwgronden is het bepalen van informatieve tekenen van plantenziekten, en vooral in een latente vorm. Dit komt door het feit dat veel informatieve tekenen van ziekten qua spectrale helderheid vergelijkbaar zijn met tekenen van niet-infectieuze pathologie van de bestudeerde planten.
Positieve resultaten werden verkregen voor de bepaling van aardappelziekten en aantasting van aardappelplanten door de coloradokever met behulp van spectroradiometrie. Bij het gebruik van deze methode bleek dat bij het planten van aardappelen die worden aangetast door Phytophthora (fig. 1), we op de derde dag na infectie een sterke afname van de spectrale helderheid van de reflectie waarnemen in vergelijking met gezonde planten, en op de zevende dag na infectie laten de waarden van de spectrale helderheid zien dat de planten praktisch dood zijn. In dit geval ligt de waarde van de spectrale helderheid in planten die zijn aangetast door aardappelziekte dicht bij de waarden van de spectrale helderheid van de reflectie van de grond.
Wanneer aardappelen worden beschadigd door de coloradokever, zien we ook een afname van de waarden van de spectrale reflectiehelderheid met twee tot drie keer in vergelijking met planten zonder schade door de plaag. Figuur 2 toont gegevens over de spectrale helderheid van de reflectie van aardappelplanten, rekening houdend met de verschillende mate van schade. De verkregen gegevens zijn van groot belang voor de methode om op afstand laesies van aardappelplanten door de coloradokever op te sporen.
Op basis van de studies die zijn uitgevoerd om informatieve kenmerken te bepalen op basis van de spectrale helderheid van de reflectie van gezonde en zieke aardappelplanten, evenals die beschadigd zijn door de coloradokever, zijn momenteel de meest informatieve spectrale deelbereiken van golflengten van elektromagnetische straling opgericht voor het gebruik van multispectrale beeldvorming van het onderliggende oppervlak van landbouwgrond met behulp van BVS en SLA.
Bij het bepalen van ziekten moet rekening worden gehouden met de resultaten van studies van het Agrophysical Institute, die het mogelijk hebben gemaakt om de spectrale kenmerken van de reflectie van planten met een tekort aan stikstof en bodemvocht te bepalen.
De verkregen resultaten zijn belangrijk voor het identificeren van informatieve kenmerken die het mogelijk maken om bij het ontcijferen van de fytosanitaire toestand van landbouwgrond duidelijk onderscheid te maken tussen planten die zijn aangetast door ziekten en die met pathologieën die worden veroorzaakt door een tekort aan minerale voeding of bodemvocht.
De vorming van bibliotheken met spectrale beelden van ziekten van verschillende gewassen, evenals spectrale beelden van deze gewassen met een tekort aan minerale voeding of bodemvocht, zal het mogelijk maken om, op basis van de resultaten van het op afstand ophalen van informatie, redelijke en snelle beslissingen te nemen om de fytosanitaire situatie te stabiliseren in aanwezigheid van ziekten of om een reeks agrotechnische maatregelen uit te voeren om stresssituaties op gewassen veroorzaakt door andere factoren te verlichten.
De volgende belangrijke richting in het gebruik van BVS is hun toepassing voor gewasbeschermingsmaatregelen. Voor het eerst werden UAV's in de vorm van onbemande op afstand bestuurbare helikopters begin jaren 90 in Japan gebruikt voor de behandeling van rijstvelden met pesticiden. Op dit moment is in China, dat de leider is in de productie van landbouwdrones, het areaal dat met behulp van UAV's wordt verbouwd al meer dan enkele miljoenen hectaren. De UAV-markt ontwikkelt zich ook dynamisch over de hele wereld, het gebruiksvolume van deze vliegtuigen neemt jaarlijks met 400-500% toe. Volgens experts zal het gebruik van UA-technologieën in de landbouw in de wereld een marktwaarde bereiken van 5,7 miljard dollar.
Van agrarische drones wordt de markt gedomineerd door het Chinese bedrijf DJI, en het meest voorkomende model is de DJI Agras T16.
Omdat de meeste UAV-onderdelen van dit model zijn gemaakt van composietmaterialen, is het gewicht van het apparaat niet groter dan 18,5 kg (zonder batterij). Met gewasbeschermingsmiddelen bereikt het startgewicht van de machine bij het vullen van de tank met werkvloeistof 41 kg. De capaciteit van het reservoir voor de werkvloeistof is 16 liter wanneer de spuitboom is uitgerust met acht spuitdoppen. Het voordeel van dit dronemodel is dat het is uitgerust met radars, waardoor de kans op aanvaringen met obstakels drastisch wordt verkleind, en het biedt ook de mogelijkheid om 's nachts te werken met zoeklichten. De optimale vlieghoogte van de drone boven het veld is 2,5-3 meter en indien nodig kan het apparaat stijgen tot 30 meter (maximale horizontale vlieghoogte). Deze hoogte is nodig voor de behandeling van meerjarige plantages, planten in botanische tuinen en bossen tegen ziekten en plagen.
In de Russische Federatie zijn positieve resultaten verkregen met betrekking tot het gebruik van BVS voor de bestrijding van muizenknaagdieren (de onderzoeken werden uitgevoerd met medewerking van VIZR en het bedrijf Ginus). Productietesten van monitoring op afstand en gegeocodeerde toepassing van rodenticiden in de holen van muisachtige knaagdieren toonden aan dat de nauwkeurigheid van de nieuwe technologie in vergelijking met handmatige toepassing 91% versus 97% is.
Er is praktijkervaring opgedaan met het gebruik van BVS voor het op afstand monitoren van de verspreidingsgebieden van Sosnowsky's berenklauw, evenals het gebruik van herbiciden-spuittechnologie tegen deze schadelijke soort.
Ondanks de positieve resultaten en de vooruitzichten van het gebruik van UA in de landbouw, zijn er tekortkomingen en onopgeloste problemen op het gebied van wet- en regelgevende documenten over hun effectieve en veilige gebruik voor monitoring op afstand en gewasbescherming, namelijk:
- hoge kosten van UAV met het risico het apparaat te verliezen tijdens de uitvoering van het werk;
- wettelijke gebruiksbeperkingen: in de meeste landen van de wereld moet de UAV zich tijdens de uitvoering van het werk binnen het gezichtsveld van de operator bevinden (afstand is niet meer dan 500 meter);
- de noodzaak om te registreren, het apparaat te registreren (in de meeste landen, als de massa meer dan 25 kg bedraagt) en een licentie te verkrijgen om de UAV voor commerciële doeleinden te gebruiken;
- de behoefte aan extra dure apparatuur en gekwalificeerd personeel: voor de ononderbroken en efficiënte werking van de UAV is het noodzakelijk om ten minste drie extra batterijen te hebben, een generator om ze op te laden; er zijn ten minste drie mensen bezig met het onderhoud van één auto;
- grote afhankelijkheid van meteorologische omstandigheden. Bij winderig weer is de besturing van het apparaat erg moeilijk, vooral bij sterke zijwind;
- gebrek aan gelegaliseerde voorschriften voor het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen met BVS in overeenstemming met de vereisten van federale wet nr. 109 "Over de veilige omgang met pesticiden en landbouwchemicaliën";
- gebrek aan regelgevende documenten voor de veilige werking van UAV's in de landbouw;
- gebrek aan verzekeringsrisiconormen voor rechtspersonen en individuen bij het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen met behulp van BVS;
- hoge prijs en gebrek aan softwareproducten voor het oplossen van de problemen van fytosanitaire monitoring op afstand van onkruid, plagen en ziekten, rekening houdend met de economische drempels van schadelijkheid, evenals automatische decodering van hun resultaten.
Er is dringend behoefte aan het opzetten van regionale centra voor het opleiden van operators en productiegoedkeuring van technologische procedures voor het gebruik van UAS voor het bewaken en beschermen van planten.
Als onderdeel van de digitalisering van landbouwprogramma's is het noodzakelijk om de ontwikkeling te versnellen van grote databases met referentiemonsters van onkruid in de meest kwetsbare ontwikkelingsfase voor het gebruik van herbiciden en referentiemonsters met kenmerkende informatieve tekenen van plaagschade aan grote gewassen. Het is even belangrijk om de vorming van bibliotheken met spectrale beelden van gezonde en zieke planten te voltooien, rekening houdend met de invloed van het niveau van minerale voeding en agroklimatologische parameters.
Anatoly Lysov, hoofd van het laboratorium voor geïntegreerde gewasbescherming, VIZR, e-mail: lysov4949@yandex.ru