För mer än hundra år sedan, sommaren 1922, lyfte ett flygplan med utrustning för att utföra flygkemiska arbeten genom besprutning mot skadedjur och sjukdomar från Khodynsky storstadsflygfält. Framgångsrika testflygningar markerade början på utvecklingen av jordbruksflyget.
Idag är användningen av olika flygmedel för växtskydd av stor ekonomisk betydelse, eftersom det ger möjlighet till:
— Storskalig fjärrövervakning av jordbruksgrödor.
- Skyddsåtgärder på korta agrotermer och på svåråtkomliga platser mot särskilt farliga skadedjur (gräshoppor, ängsmal, musliknande gnagare, Coloradopotatisbagge, skadlig sköldpadda) och sjukdomar (brunrost, sena rodnad, alternarios);
- jordbearbetning med stark markfuktighet, när markutrustning inte kan komma in på fältet, särskilt i kampen mot ogräs;
– Bearbetning av höga grödor (majs, solros) och sådd av frögrödor;
— Bearbetning av risfält.
- uttorkning;
– bearbetning av grödor på sluttningar med en lutning på mer än 7 grader, där marksprututrustning inte kan fungera.
I Sovjetunionen var grunden för jordbruksflygflottan AN-2. För närvarande går utvecklingen av jordbruksflyget mot en betydande ökning av användningen av ultralätta flygplan (ALV) och obemannade flygfarkoster (UAV), som är mycket billigare än tunga flygplan. I enlighet med Federal Aviation Rules och Air Code of the Russian Federation kallas en apparat (flygplan) ultralight om den har:
- maximal startvikt inte mer än 495 kg (exklusive flygräddningsutrustning);
- maximal kalibreringsstopphastighet (minsta flyghastighet) högst 65 km/h.
Obemannade flygfarkoster (UAV) inkluderar fordon vars flygningar kontrolleras av piloter som befinner sig utanför styrelsen (externa piloter).
Funktioner för rätt användningssätt för UAV bestäms av dess maximala startvikt:
- upp till 250 g - är inte föremål för statlig registrering eller redovisning;
- från 250 g till 30 kg - är föremål för obligatorisk statlig redovisning;
- från 30 kg och mer - är föremål för statlig registrering.
Viktiga fördelar med att använda UAV och ALS är:
— Inga förluster på grund av skador på grödor med hjul eller behovet av att använda spårvagnar (i jämförelse med markutrustning).
- Hög effektivitet samtidigt som driftskostnaderna reduceras (jämfört med tunga flygplan, eftersom dessa flygplan inte behöver ha utrustade flygfält).
Användningen av obemannade luftfarkoster hjälper till att lösa följande uppgifter:
- få detaljerad information om skapandet av en kartografisk grund för jordbruksmark och placeringen av jordbruksobjekt med deras exakta koordinater för planering och kontroll av de tekniska processerna för jordbruksproduktion;
– Utföra fjärrövervakning baserad på multispektral avbildning av den underliggande ytan av jordbruksmark för att bestämma tillståndet och utvecklingen av grödor, förutsäga avkastning baserat på beräkningen av vegetationsindex baserat på resultaten av spektral avbildning, etc.
– Driftskontroll i realtid över driften av markutrustning och kvaliteten på agrotekniskt arbete.
– Geokodad fytosanitär övervakning av jordbruksmarker för att bestämma graden av ogräs hos grödor, förekomsten av skadedjur och manifestationer av sjukdomar i ett tidigt utvecklingsstadium, även i latent form.
Användningen av UAV för flygfotografering av jordbruksmark ger, i jämförelse med satellitbilder, bilder med högre upplösning (upp till en centimeter per punkt) och, viktigast av allt, gör det möjligt att utföra dessa arbeten i närvaro av täta moln (att skjuta med rymdfarkoster under sådana perioder är omöjligt).
Låt oss uppehålla oss mer i detalj vid fytosanitär övervakning av grödor. Nyligen har användningsvolymen av växtskyddsmedel i Ryssland ökat stadigt: enligt statistiken, vart femte år, från och med 2010, har de fördubblats och 2020 nådde de 221 tusen ton. Med den ökade användningen av växtskyddsmedel måste gårdarna säkerställa att information om det fytosanitära tillståndet på jordbruksfält snabbt samlas in och bearbetas. Utan denna information är det omöjligt att lösa problemen med tekniskt stöd för rationell och säker användning av växtskyddsmedel inom en kort tidsram för jordbruket. Befintliga metoder för markvägsinspektion av fält tillåter inte att man snabbt och i rätt volym erhåller nödvändig information. I detta avseende bedrivs ett aktivt arbete utomlands och i vårt land med att utveckla högpresterande fjärrmetoder för att hämta information för planering och genomförande av växtskyddsåtgärder. För operativ fytosanitär övervakning på avstånd är obemannade flygfarkoster mest använda, som tillhandahåller geokodad video, multispektrala och hyperspektrala bilder av jordens underliggande yta.
Det bör noteras att frågorna med att använda avlägsna metoder för informationsinhämtning inom ogräsbekämpning (bestämma ogräs på fältet, bedöma skördeförluster, kartlägga skadezoner) redan delvis har lösts. Inom detta område, inom ramen för ett avtal om vetenskapligt och tekniskt samarbete, genomfördes forskning med deltagande av specialister från VIZR, University of Aerospace Instrumentation (St. Petersburg), Samara Agrarian Academy och Ptero LLC (Moskva). Positiva resultat har erhållits från användningen av BVS för avlägsna metoder för informationsinhämtning baserade på spektrometri för att bedöma angrepp av spannmålsgrödor och potatisplanteringar för mer än 20 typer av ogräs, inklusive en sådan skadlig som Sosnowskys björngröt. Data erhölls baserat på bestämningen och analysen av de spektrala egenskaperna för reflektion från odlade växter och ogräs i våglängdsområdet 300-1100 nm.
Under studierna som utfördes för att identifiera definierande egenskaper baserade på den spektrala ljusstyrkan av reflektion från odlade växter och ogräsväxter, fastställdes de mest informativa spektrala underområdena av elektromagnetiska strålningsvåglängder för att använda multispektral avbildning av den underliggande ytan av jordbruksmark med hjälp av moderna fjärranalyssystem. En analys av spektralbilderna av ogräs och odlade växter visar att vi observerar karakteristiska skillnader i de erhållna spektrala ljusstyrkekurvorna i underområdena blå, grön, röd och nära infraröd elektromagnetisk strålning i det nära infraröda underområdet av våglängder.
En svårare uppgift för den utbredda användningen av metoder för fjärranalys av jordbruksmark är fastställandet av informativa tecken på växtsjukdomar, och framför allt i latent form. Detta beror på det faktum att många informativa tecken på sjukdomar i spektral ljusstyrka liknar tecken på icke-infektiös patologi hos de studerade växterna.
Positiva resultat erhölls för bestämning av potatissjukdomar och skador på potatisplantor av Coloradopotatisbaggen med användning av spektroradiometri. När man använder denna metod, fann man att när man planterar potatis påverkas av sena pessar (Fig. 1), på den tredje dagen efter infektion, observerar vi en kraftig minskning av den spektrala ljusstyrkan hos reflektionen i jämförelse med friska växter, och på den sjunde dagen efter infektion visar värdena för den spektrala ljusstyrkan att växterna praktiskt taget har dött. I det här fallet är värdet på den spektrala ljusstyrkan i växter som påverkas av sent blight nära värdena för den spektrala ljusstyrkan för reflektionen från jorden.
När potatis skadas av Colorado-potatisbaggen, observerar vi också en minskning av värdena för den spektrala reflektionsljusstyrkan med två till tre gånger jämfört med växter utan skada av skadedjuret. Figur 2 visar data om den spektrala ljusstyrkan för reflektion av potatisplantor, med hänsyn tagen till olika grad av deras skada. De erhållna uppgifterna är av stor betydelse för den avlägsna metoden för att upptäcka skador på potatisplantor av Coloradopotatisbaggen.
För närvarande, baserat på studier som utförts för att bestämma informativa egenskaper baserade på den spektrala ljusstyrkan hos reflektionen från friska och sjuka potatisplantor, såväl som de som skadats av Colorado-potatisbaggen, har de mest informativa spektrala underområdena av elektromagnetisk strålningsvåglängder varit etablerad för att använda multispektral avbildning av den underliggande ytan av jordbruksmark med hjälp av BVS och SLA.
Vid bestämning av sjukdomar är det nödvändigt att ta hänsyn till resultaten av forskning från Agrophysical Institute, som gjorde det möjligt att bestämma de spektrala egenskaperna för reflektionen av växter som har brist på kväve och markfuktighet.
De erhållna resultaten är viktiga för att identifiera informativa egenskaper som gör det möjligt att tydligt särskilja, vid dechiffrering av det fytosanitära tillståndet för jordbruksmark, växter som drabbats av sjukdomar och de med patologier orsakade av brist på mineralnäring eller markfuktighet.
Bildandet av bibliotek med spektrala bilder av sjukdomar hos olika grödor, såväl som spektrala bilder av dessa grödor som har brist på mineralnäring eller markfuktighet, kommer att göra det möjligt att, baserat på resultaten av fjärråtervinning av information, fatta rimliga och snabba beslut att stabilisera den fytosanitära situationen i närvaro av sjukdomar eller att genomföra en uppsättning agrotekniska åtgärder för att lindra stresssituationer på grödor orsakade av andra faktorer.
Nästa viktiga riktning i användningen av BVS är deras tillämpning för växtskyddsåtgärder. För första gången började UAV i form av obemannade fjärrstyrda helikoptrar användas i Japan i början av 90-talet för behandling av risfält med bekämpningsmedel. För närvarande, i Kina, som är ledande inom produktion av jordbruksdrönare, överstiger området som odlas med hjälp av UAV:er redan flera miljoner hektar. UAV-marknaden utvecklas också dynamiskt över hela världen, användningsvolymen för dessa flygplan ökar årligen med 400-500%. Enligt experter kommer användningen av UA-teknik inom jordbruket i världen att nå ett marknadsvärde på 5,7 miljarder dollar.
Från jordbruksdrönare domineras marknaden av det kinesiska företaget DJI, och den vanligaste modellen är DJI Agras T16.
På grund av det faktum att de flesta av UAV-delarna i denna modell är gjorda av kompositmaterial, överstiger enhetens vikt inte 18,5 kg (utan batteri). Med växtskyddsutrustning, när tanken fylls med arbetsvätska, når maskinens startvikt 41 kg. Behållarens kapacitet för arbetsvätskan är 16 liter när bommen är utrustad med åtta munstycken. Fördelen med denna drönarmodell är att den är utrustad med radar, vilket drastiskt minskar risken för kollision med hinder, och även ger möjlighet att arbeta nattetid, med hjälp av strålkastare. Drönarens optimala flyghöjd ovanför fältet är 2,5-3 meter, och vid behov kan enheten stiga till 30 meter (maximal horisontell flyghöjd). Denna höjd är nödvändig för behandling av fleråriga plantager, växter i botaniska trädgårdar och skogar från skadedjur och sjukdomar.
I Ryska federationen har positiva resultat erhållits på användningen av BVS för kontroll av murina gnagare (studierna utfördes med deltagande av VIZR och företaget Ginus). Produktionstester av fjärrövervakning och geokodad applicering av rodenticider i hålor hos musliknande gnagare visade att noggrannheten hos den nya tekniken jämfört med manuell applicering är 91 % mot 97 %.
Praktisk erfarenhet har samlats på användningen av BVS för fjärrövervakning av utbredningsområdena för Sosnowskys hogweed, såväl som användningen av herbicidsprutningsteknik mot denna skadliga art.
Trots de positiva resultaten och möjligheterna att använda UA inom jordbruket finns det brister, såväl som olösta frågor inom området för lagstiftning och reglerande dokument om deras effektiva och säkra användning för fjärrövervakning och växtskydd, nämligen:
- höga kostnader för UAV med risk för att förlora apparaten under utförandet av arbetet;
- lagliga restriktioner för användning: i de flesta länder i världen måste UAV under utförandet av arbetet vara inom synfältet för operatören (avståndet är inte mer än 500 meter);
- behovet av att registrera, registrera enheten (i de flesta länder, om dess vikt överstiger 25 kg) och få en licens för att använda UAV för kommersiella ändamål;
- behovet av extra dyr utrustning och kvalificerad personal: för oavbruten och effektiv drift av UAV:en är det nödvändigt att ha minst tre extra batterier, en generator för att ladda dem; minst tre personer är engagerade i service av en bil;
- stort beroende av meteorologiska förhållanden. Vid blåsigt väder är kontrollen av apparaten mycket svår, särskilt med stark sidovind;
- brist på legaliserade bestämmelser för användning av växtskyddsmedel med BVS i enlighet med kraven i federal lag nr 109 "Om säker hantering av bekämpningsmedel och jordbrukskemikalier";
- brist på reglerande dokument för säker drift av UAV inom jordbruket;
- brist på försäkringsriskstandarder för juridiska personer och individer vid användning av växtskyddsmedel med hjälp av BVS;
- högt pris och brist på mjukvaruprodukter för att lösa problemen med fytosanitär övervakning på distans av ogräs, skadedjur och sjukdomar, med hänsyn till de ekonomiska tröskelvärdena för skadlighet, såväl som automatisk avkodning av deras resultat.
Det finns ett akut behov av att skapa regionala centra för utbildning av operatörer och produktionsgodkännande av tekniska förfaranden för användning av UAS för övervakning och skydd av växter.
Som en del av digitaliseringen av jordbruksprogrammen är det nödvändigt att påskynda utvecklingen av stora databaser med referensprover av ogräs i den mest sårbara utvecklingsfasen för användning av herbicider och referensprover med karakteristiska informativa tecken på skadedjursskador på större grödor. Det är lika viktigt att slutföra bildandet av bibliotek av spektrala bilder av friska och sjuka växter, med hänsyn till inflytandet av nivån av mineralnäring och agroklimatiska parametrar.
Anatoly Lysov, chef för Integrated Plant Protection Laboratory, VIZR, e-post: lysov4949@yandex.ru