一百多年前,1922年夏天,一架飛機從霍丁卡首都機場起飛,飛機上裝有用於利用噴霧方法防治病蟲害的空中化學作業的設備。 試飛成功標誌著農用航空發展的開始。
如今,使用各種航空手段進行植物保護具有重大的經濟意義,因為它提供了以下機會:
— 農作物的大規模遠端監測;
— 在短農期和難以到達的地方針對特別危險的害蟲(蝗蟲、草蛾、鼠類囓齒動物、科羅拉多馬鈴薯甲蟲、有害海龜)和疾病(葉銹病、晚疫病、鍊格孢)採取保護措施;
——土壤高度濕潤、地面設備無法進入田間時的處理,尤其是除草時;
— 高大作物(玉米、向日葵)和種子作物的加工;
— 稻田加工;
- 乾燥;
— 在坡度超過 7 度的斜坡上處理農作物,地面噴灑設備無法操作。
在蘇聯,農業航空機隊的基礎是 AN-2。 目前,農業航空的發展正朝著大幅擴大超輕型飛機(ULA)和無人機(UAV)的使用方向發展,這些飛機比重型飛機便宜得多。 根據《聯邦航空條例》和《俄羅斯聯邦航空法》,超輕型飛機是指具有以下特點的飛機(飛機):
——最大起飛重量不超過495公斤(不含航空救援設備);
— 最大校準失速速度(最小飛行速度)不超過 65 km/h。
無人駕駛飛機 (UAV) 包括由位於飛機外部的飛行員(遠端飛行員)控制飛行的車輛。
無人機正確使用模式的特性由其最大起飛重量決定:
- 重量不超過 250 克 - 無需國家註冊或會計;
- 250 克至 30 公斤 - 須經國家強制註冊;
- 30 公斤以上 - 需進行國家註冊。
使用無人機和 SLA 的重要優點包括:
— 不會因輪子損壞農作物而造成損失,也無需使用有軌電車(與地面設備相比);
— 高效率,降低營運成本(與重型飛機相比,因為這些飛機不需要裝備齊全的機場)。
無人機的使用有助於解決以下問題:
— 獲取有關創建農業用地製圖基礎和農業物體放置及其精確坐標的詳細信息,以規劃和監測農業生產的技術過程;
——基於多光譜攝影對農田下墊面進行遠端監測,以確定農作物的狀況和發育情況,根據光譜攝影結果計算植被指數來預測產量等;
——對地面設備的運作和農業工作的品質進行即時操作控制;
— 對農業用地進行地理編碼植物檢疫監測,以確定農作物的雜草程度、害蟲的存在以及發育早期階段(包括潛伏形式)疾病的表現;
與衛星影像相比,使用無人機對農田進行航空攝影可以獲得更高解析度的影像(每點高達一厘米),最重要的是,可以在密集的情況下進行這項工作。雲(在這種時期使用航天器進行記錄是不可能的)。
讓我們更詳細地討論農作物的植物檢疫監測。 近年來,俄羅斯植保產品的使用量一直在穩定成長:根據統計,自2010年起每五年翻一番,2020年達到221萬噸。 隨著植保產品使用量的不斷增加,農場需要確保及時收集和處理有關農田植物檢疫狀況的資訊。 如果沒有這些訊息,就不可能在農業短時間內解決合理、安全使用植保產品的技術支撐問題。 現有的田間地面路線調查方法無法快速取得所需數量的必要資訊。 在這方面,國內外正在積極開展工作,開發高性能遠端方法來收集信息,以規劃和實施植物保護措施。 對於可操作的遠端植物檢疫監測,最廣泛使用的是無人機,它提供地球下表面的地理編碼視訊、多光譜和高光譜影像。
應該指出的是,使用遠端方法收集雜草控制領域資訊(確定田間雜草的位置、評估作物損失、繪製有害區域地圖)的問題已經部分解決。 在這一領域,在科學技術合作協議的框架內,VIZR、航空航天儀器大學(聖彼得堡)、薩馬拉農業學院和 Ptero LLC(莫斯科)的專家參與了研究。 使用無人機進行基於光譜測量的遠端資訊收集,評估糧食作物和馬鈴薯種植中的20 多種雜草(包括索斯諾夫斯基豬草等有害雜草)的雜草情況,已取得積極成果。 此數據是透過測定和分析栽培植物和雜草在300-1100 nm波長範圍內的反射光譜特徵而獲得的。
因此,在根據農作物和雜草反射的光譜亮度來識別定義特徵的研究過程中,為使用農業用地下墊面的多光譜攝影建立了資訊最豐富的電磁輻射波長光譜子範圍使用現代遙感系統。 對雜草和栽培植物的光譜圖像的分析表明,我們觀察到所獲得的藍色、綠色、紅色子範圍和近紅外線波長子範圍內的近紅外線電磁輻射的光譜亮度曲線存在特徵差異。
廣泛使用農田遙感方法的一項更困難的任務是確定植物病害的資訊跡象,尤其是潛在形式的跡象。 這是因為許多疾病的資訊性跡像在光譜亮度上與所研究的植物的非傳染性病理學跡象相似。
使用光譜輻射測定法確定科羅拉多馬鈴薯甲蟲對馬鈴薯植株的損害和損害,並取得了正面的結果。 使用此方法發現,當馬鈴薯種植受到晚疫病影響時(圖1),在感染後第三天,我們觀察到與健康植物相比,反射光譜亮度急劇下降,而在感染後第七天,我們觀察到反射光譜亮度急劇下降。感染後第二天,光譜亮度值顯示植物幾乎死亡。 在這種情況下,受晚疫病影響的植物的光譜亮度值接近土壤反射的光譜亮度值。
當馬鈴薯受到科羅拉多馬鈴薯甲蟲損害時,我們也觀察到與未受到害蟲損害的植物相比,反射的光譜亮度降低了兩到三倍。 圖 2 顯示了馬鈴薯植株反射光譜亮度的數據,考慮了其不同程度的損害。 所獲得的數據對於遠端識別科羅拉多馬鈴薯甲蟲對馬鈴薯植物損害的病灶具有重要意義。
目前,根據健康和患病馬鈴薯植株以及被科羅拉多馬鈴薯甲蟲損壞的馬鈴薯植株的反射光譜亮度來確定資訊特徵的研究,已經建立了最具資訊性的電磁輻射波長光譜子範圍。使用無人機和SLA對農田下墊面進行多光譜攝影。
在確定疾病時,有必要考慮農業物理研究所的研究結果,該研究結果使得可以確定經歷氮和土壤水分缺乏的植物的反射光譜特徵。
所獲得的結果對於識別資訊特徵非常重要,這些資訊特徵使得在破解農業用地的植物檢疫狀態時能夠清楚地區分受疾病影響的植物和因缺乏礦物質營養或土壤水分而引起病理的植物。
形成各種農作物病害的光譜圖像庫以及這些缺乏礦物質營養或土壤水分的農作物的光譜圖像庫,將允許根據遠程信息獲取的結果做出明智和及時的決策在發生病害時穩定植物檢疫狀況,或採取一系列農業技術措施緩解其他因素對作物造成的脅迫狀況。
BVS 的下一個重要應用領域是其在植物保護措施中的應用。 90年代初,日本首次使用無人遙控直升機形式的無人機對稻田施農藥。 目前,在農業無人機生產大國中國,使用無人機的加工面積已超過數百萬公頃。 全球無人機市場正在蓬勃發展,這些飛機的使用量每年以400-500%的速度成長。 根據專家預測,全球無人機技術在農業的應用市場價值將達到5,7億美元。
在農業無人機中,中國公司DJI在市場上佔據主導地位,最常見的型號是DJI Agras T16。
由於此型號無人機大部分零件均採用複合材料製成,因此設備重量不超過18,5公斤(不含電池)。 配備植保設備,當油箱加滿工作液時,機器的起飛重量達到41公斤。 當臂架配備八個噴嘴時,工作液儲存器的容量為16公升。 該無人機型號的優點是配備了雷達,大大降低了與障礙物碰撞的風險,並且還提供了使用聚光燈在夜間操作的能力。 無人機在場地上空的最佳飛行高度為2,5-3米,如有必要,該設備可升至30公尺(最大水平飛行高度)。 這個高度對於治療多年生植物、植物園和森林中的植物免受病蟲害是必要的。
在俄羅斯聯邦,使用 BVS 對抗鼠類囓齒動物已取得積極成果(該研究是在 VIZR 和 Ginus 公司的參與下進行的)。 對類鼠囓齒動物洞穴進行遠端監控和地理編碼殺鼠劑施用的現場測試表明,與手動施用相比,新技術的準確度分別為 91% 和 97%。
在利用無人機遠端監測大豬草分佈區域以及利用除草劑噴灑技術防治此有害物種方面累積了實務經驗。
儘管無人機在農業中的應用取得了積極的成果和前景,但在有效、安全地使用無人機進行遠端監測和植物保護的立法和監管文件領域,還存在一些不足和尚未解決的問題,即:
- 無人機成本高,工作上有遺失設備的風險;
- 法律使用限制:在世界上大多數國家,無人機執行作業時必須在操作者的視線範圍內(距離不超過500公尺);
- 需要註冊、註冊設備(在大多數國家,如果其重量超過25公斤)並獲得將無人機用於商業目的的許可證;
- 需要額外的昂貴設備和合格人員:為了使無人機不間斷且有效率地運行,需要至少三個額外的電池和一個發電機來為其充電; 至少三人參與維修一台機器;
- 對氣象條件的依賴性較大。 在大風天氣下,控制設備非常困難,尤其是側風較強時;
- 根據聯邦法律第 109 號「關於農藥和農業化學品的安全處理」的要求,缺乏使用 BVS 的植物保護產品的合法化規定;
- 缺乏農業無人機安全運作的規範文件;
- 法人和個人使用BVS植保產品時缺乏保險風險標準;
- 考慮到危害的經濟閾值及其結果的自動解碼,用於解決雜草、病蟲害遠端植物檢疫監測問題的軟體產品價格高昂且缺乏。
迫切需要建立區域中心,對操作人員進行培訓,並對使用無人機進行監測和植物保護的技術法規進行工業測試。
作為農業數位化計畫的一部分,有必要加快開發除草劑使用最脆弱發展階段雜草參考樣本的大型資料庫以及具有主要農作物害蟲損害特徵資訊跡象的參考樣本。 考慮到礦物質營養水平和農業氣候參數的影響,完成健康和患病植物光譜圖像庫的形成同樣重要。
Anatoly Lysov,聯邦國家預算機構 VIZR 綜合植物保護實驗室主任,電子郵件:lysov4949@yandex.ru