一百多年前,1922年夏天,一架飞机从霍丁卡首都机场起飞,飞机上装有用于利用喷雾方法防治病虫害的空中化学作业的设备。 试飞成功标志着农用航空发展的开始。
如今,使用各种航空手段进行植物保护具有重大的经济意义,因为它提供了以下机会:
— 农作物的大规模远程监测;
— 在短农期和难以到达的地方针对特别危险的害虫(蝗虫、草地蛾、鼠类啮齿动物、科罗拉多马铃薯甲虫、有害海龟)和疾病(叶锈病、晚疫病、链格孢)采取保护措施;
——土壤高度湿润、地面设备无法进入田间时的处理,尤其是除草时;
— 高大作物(玉米、向日葵)和种子作物的加工;
— 稻田加工;
- 干燥;
— 在坡度超过 7 度的斜坡上加工农作物,地面喷洒设备无法操作。
在苏联,农业航空机队的基础是 AN-2。 目前,农业航空的发展正朝着大幅扩大超轻型飞机(ULA)和无人机(UAV)的使用方向发展,这些飞机比重型飞机便宜得多。 根据《联邦航空条例》和《俄罗斯联邦航空法》,超轻型飞机是指具有以下特点的飞机(飞机):
——最大起飞重量不超过495公斤(不包括航空救援设备);
— 最大校准失速速度(最小飞行速度)不超过 65 km/h。
无人驾驶飞机 (UAV) 包括由位于飞机外部的飞行员(远程飞行员)控制飞行的车辆。
无人机正确使用模式的特点由其最大起飞重量决定:
- 重量不超过 250 克 - 无需国家注册或会计;
- 250 克至 30 公斤 - 须经国家强制注册;
- 30 公斤及以上 - 需进行国家注册。
使用无人机和 SLA 的重要优势包括:
— 不会因轮子损坏农作物而造成损失,也无需使用有轨电车(与地面设备相比);
— 高效率,降低运营成本(与重型飞机相比,因为这些飞机不需要装备齐全的机场)。
无人机的使用有助于解决以下问题:
— 获取关于创建农业用地制图基础和农业物体放置及其精确坐标的详细信息,以规划和监测农业生产的技术过程;
——基于多光谱摄影对农田下垫面进行远程监测,以确定农作物的状况和发育情况,根据光谱摄影结果计算植被指数来预测产量等;
——对地面设备的运行和农业工作的质量进行实时操作控制;
— 对农业用地进行地理编码植物检疫监测,以确定农作物的杂草程度、害虫的存在以及发育早期阶段(包括潜伏形式)疾病的表现;
与卫星图像相比,使用无人机对农田进行航空摄影可以获得更高分辨率的图像(每点高达一厘米),最重要的是,可以在密集的情况下进行这项工作。云(在这种时期使用航天器进行记录是不可能的)。
让我们更详细地讨论农作物的植物检疫监测。 近年来,俄罗斯植保产品的使用量一直在稳步增长:据统计,自2010年起每五年翻一番,2020年达到221万吨。 随着植保产品使用量的不断增加,农场需要确保及时收集和处理有关农田植物检疫状况的信息。 如果没有这些信息,就不可能在农业短时间内解决合理、安全使用植保产品的技术支撑问题。 现有的田间地面路线调查方法无法快速获取所需数量的必要信息。 在这方面,国内外正在积极开展工作,开发高性能远程方法来收集信息,以规划和实施植物保护措施。 对于可操作的远程植物检疫监测,最广泛使用的是无人机,它提供地球下表面的地理编码视频、多光谱和高光谱图像。
应该指出的是,使用远程方法收集杂草控制领域信息(确定田间杂草的位置、评估作物损失、绘制有害区域地图)的问题已经部分解决。 在这一领域,在科学技术合作协议的框架内,VIZR、航空航天仪器大学(圣彼得堡)、萨马拉农业学院和 Ptero LLC(莫斯科)的专家参与了研究。 利用无人机进行基于光谱测量的远程信息收集,评估粮食作物和马铃薯种植中的 20 多种杂草(包括索斯诺夫斯基猪草等有害杂草)的杂草情况,已取得积极成果。 该数据是通过测定和分析栽培植物和杂草在300-1100 nm波长范围内的反射光谱特征而获得的。
因此,在根据农作物和杂草反射的光谱亮度来识别定义特征的研究过程中,为使用农业用地下垫面的多光谱摄影建立了信息最丰富的电磁辐射波长光谱子范围使用现代遥感系统。 对杂草和栽培植物的光谱图像的分析表明,我们观察到所获得的蓝色、绿色、红色子范围和近红外波长子范围内的近红外电磁辐射的光谱亮度曲线存在特征差异。
广泛使用农田遥感方法的一项更困难的任务是确定植物病害的信息迹象,尤其是潜在形式的迹象。 这是因为许多疾病的信息性迹象在光谱亮度上与所研究的植物的非传染性病理学迹象相似。
使用光谱辐射测定法确定科罗拉多马铃薯甲虫对马铃薯植株的损害和损害,取得了积极的结果。 使用该方法发现,当马铃薯种植受到晚疫病影响时(图1),在感染后第三天,我们观察到与健康植物相比,反射光谱亮度急剧下降,而在感染后第七天,我们观察到反射光谱亮度急剧下降。感染后第二天,光谱亮度值显示植物几乎死亡。 在这种情况下,受晚疫病影响的植物的光谱亮度值接近于土壤反射的光谱亮度值。
当马铃薯受到科罗拉多马铃薯甲虫损害时,我们还观察到与未受到害虫损害的植物相比,反射的光谱亮度降低了两到三倍。 图 2 显示了马铃薯植株反射光谱亮度的数据,考虑了其不同程度的损害。 获得的数据对于远程识别科罗拉多马铃薯甲虫对马铃薯植物损害的病灶具有重要意义。
目前,根据健康和患病马铃薯植株以及被科罗拉多马铃薯甲虫损坏的马铃薯植株的反射光谱亮度来确定信息特征的研究,已经建立了最具信息性的电磁辐射波长光谱子范围。使用无人机和 SLA 对农田下垫面进行多光谱摄影。
在确定疾病时,有必要考虑农业物理研究所的研究结果,该研究结果使得可以确定经历氮和土壤水分缺乏的植物的反射光谱特征。
所获得的结果对于识别信息特征非常重要,这些信息特征使得在破译农业用地的植物检疫状态时能够清楚地区分受疾病影响的植物和因缺乏矿物质营养或土壤水分而引起的病理植物。
形成各种农作物病害的光谱图像库以及这些缺乏矿物质营养或土壤水分的农作物的光谱图像库,将允许根据远程信息获取的结果做出明智和及时的决策在发生病害时稳定植物检疫状况,或采取一系列农业技术措施缓解其他因素对作物造成的胁迫状况。
BVS 的下一个重要应用领域是其在植物保护措施中的应用。 上世纪90年代初,日本首次使用无人遥控直升机形式的无人机对稻田施农药。 目前,在农业无人机生产大国中国,使用无人机的加工面积已超过数百万公顷。 全球无人机市场正在蓬勃发展,这些飞机的使用量每年以400-500%的速度增长。 据专家预测,全球无人机技术在农业中的应用市场价值将达到5,7亿美元。
在农业无人机中,中国公司DJI在市场上占据主导地位,最常见的型号是DJI Agras T16。
由于该型号无人机大部分部件均采用复合材料制成,因此设备重量不超过18,5公斤(不含电池)。 配备植保设备,当油箱加满工作液时,机器的起飞重量达到41公斤。 当臂架配备八个喷嘴时,工作液储存器的容量为16升。 该无人机型号的优点是配备了雷达,大大降低了与障碍物碰撞的风险,并且还提供了使用聚光灯在夜间操作的能力。 无人机在场地上空的最佳飞行高度为2,5-3米,如有必要,该设备可以升至30米(最大水平飞行高度)。 这个高度对于治疗多年生植物、植物园和森林中的植物免受病虫害是必要的。
在俄罗斯联邦,使用 BVS 对抗鼠类啮齿动物已取得积极成果(该研究是在 VIZR 和 Ginus 公司的参与下进行的)。 对类鼠啮齿动物洞穴进行远程监控和地理编码杀鼠剂施用的现场测试表明,与手动施用相比,新技术的准确度分别为 91% 和 97%。
在利用无人机远程监测大猪草分布区以及利用除草剂喷洒技术防治该有害物种方面积累了实践经验。
尽管无人机在农业中的应用取得了积极的成果和前景,但在有效、安全地使用无人机进行远程监测和植物保护的立法和监管文件领域,还存在一些不足和尚未解决的问题,即:
- 无人机成本高,工作中存在丢失设备的风险;
- 法律使用限制:在世界上大多数国家,无人机执行作业时必须在操作者的视线范围内(距离不超过500米);
- 需要注册、注册设备(在大多数国家,如果其重量超过25公斤)并获得将无人机用于商业目的的许可证;
- 需要额外的昂贵设备和合格人员:为了使无人机不间断且高效地运行,需要至少三个额外的电池和一个发电机来为其充电; 至少三人参与维修一台机器;
- 对气象条件的依赖性较大。 在大风天气下,控制设备非常困难,尤其是侧风较强时;
- 根据联邦法律第 109 号“关于农药和农用化学品的安全处理”的要求,缺乏使用 BVS 的植物保护产品的合法化规定;
- 缺乏农业无人机安全运行的规范性文件;
- 法人和个人使用BVS植保产品时缺乏保险风险标准;
- 考虑到危害的经济阈值及其结果的自动解码,用于解决杂草、病虫害远程植物检疫监测问题的软件产品价格高昂且缺乏。
迫切需要建立区域中心,对操作人员进行培训,并对使用无人机进行监测和植物保护的技术法规进行工业测试。
作为农业数字化计划的一部分,有必要加快开发除草剂使用最脆弱发展阶段杂草参考样本的大型数据库以及具有主要农作物害虫损害特征信息迹象的参考样本。 考虑到矿物质营养水平和农业气候参数的影响,完成健康和患病植物光谱图像库的形成同样重要。
Anatoly Lysov,联邦国家预算机构 VIZR 综合植物保护实验室主任,电子邮件:lysov4949@yandex.ru