Мониторинг посевов с помощью бпла

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 18.09.2024

Будущее в разных уголках мира наступает с разной скоростью. Очевидно лишь то, что ни одна классическая сфера жизни человека не устоит перед цифровой технологической трансформацией. Дроны, которые долгое время оставались уделом путешественников и свадебных фотографов, могут быть эффективны на полях. Корреспонденты Onlíner съездили на экспериментальное поле и посмотрели, грозит ли трактористу конкуренция со стороны агродронов.

По мере погружения в этот мир выясняется, что создатели юмористической короткометражки Russian Cyberpunk Farm были не так уж и далеки от истины. Технологи идут на поля. В Украине, например, площади посевов, обрабатываемые агродронами, считают сотнями тысяч гектаров, в Китае — миллионами. В Беларуси это пока диковинка.

В идеале агроном или фермер ближайшего будущего будет объезжать хозяйство с дроном-разведчиком, оснащенным мультиспектральной камерой, проводить съемку полей, анализировать состояние посевов и строить план полета для огромных аграрных дронов. А они, в свою очередь по составленному плану в автоматическом режиме будут облетать поля, вносить жидкие удобрения, обрабатывать проблемные участки средствами защиты растений, орошать места, где не хватает влаги. Полностью заменить традиционную сельскохозяйственную технику они, конечно, пока не могут, но есть нюансы, которые делают использование дронов возможным и обоснованным.

Оперативный разведчик агронома

Без предварительного анализа полей использовать беспилотник для внесения средств защиты растений (СЗР) не бессмысленно, но малоэффективно. В первую очередь с помощью дрона наподобие DJI Phantom 4 RTK производится сверхточная съемка поля. RTK (Real-Time Kinematic) — это не новый термин. RTK-технология давно используется при наземной съемке для повышения точности определения местоположения. В дронах она позволяет добиться абсолютной точности до сантиметров.

RTK-дроны оснащены бортовым приемником GNSS RTK. Он собирает данные со спутников и стационарной базовой (наземной) станции, чтобы корректировать центра местоположение изображения в режиме реального времени во время полета, так как полагаться исключительно на спутниковые данные нельзя: они обеспечивают максимальную точность около метра. Для увеличения точности и используются данные с наземной станции, которые корректируют ошибки спутникового сигнала.

Что касается конкретно этого дрона, DJI Phantom 4 RTK, то он поддерживает и альтернативную систему PPK. Она позволяет записывать данные спутниковых наблюдений для постобработки напрямую в дрон.

— Мы определяем контуры поля, его реальную площадь и с помощью специальной мультиспектральной камеры проводим съемку, — рассказывает Глеб Бондарик, представитель Белорусской федерации беспилотной авиации и системного интегратора беспилотных решений Copter.by. — RGB-камера работает в видимом спектре, остальные пять — в определенных диапазонах: красного края, ближнего инфракрасного, зеленого, красного и синего каналов.

Далее c помощью специального программного обеспечения мы можем создавать карты вегетационных индексов растительности.

Таких индексов существуют многие десятки. Они базируются на спектральной отражательной способности растений, различиях в отражении разных длин волн в зависимости от видов растительности и их состояния. Наиболее часто используемым и популярным является NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).

Окинув поле взглядом, мы видим, что все оно зеленое, но мультиспектральная камера с высоты позволяет взглянуть на поле во всей его красе или неприглядности, чтобы увидеть, где фотосинтетическая активность растений упала, что может быть признаком нехватки влаги или деятельности микроорганизмов и вредителей.

Спектральный анализ полей никто не запрещает делать из космоса, но с этим есть определенные проблемы: оперативность таких съемок и облачность. Спутник сложно заставить летать и фотографировать исключительно нужные поля в нужное время.

— В идеале у каждого профессионального агронома такой дрон должен лежать на заднем сиденье машины, чтобы специалист в любой момент мог получить конкретную информацию.

С помощью такого разведывательного дрона создается план полета для дифференцированного внесения СЗР и удобрений или обработки определенных участков на поле.

Дальше работать будет уже совсем другая махина.

Тяжелый опрыскиватель

Моделей аграрных дронов куда меньше, чем массовых потребительских. Среди производителей последних до сих пор доминирует DJI, но у профессионалов от сохи и плуга выбор шире. Конкуренцию DJI в этом сегменте составляют другие компании — например, китайская XAG или украинская Aeroservice с дронами на двигателях внутреннего сгорания.

Мы посмотрели на показательное выступление DJI Agras T16. В Беларуси он стоит чуть меньше 50 тыс. рублей. Частично дрон сделан из карбонового волокна, его масса составляет 18,5 килограмма без аккумуляторной батареи, стандартная взлетная масса достигает 41 килограмма. Дрон несет бак на 16 литров, оснащен четырьмя насосами и восемью опрыскивателями. Аппарат умеет летать как днем, так и ночью благодаря наличию радаров и прожекторов.

Благодаря созданной разведчиком NDVI-карте агроном видит, где растения чувствуют себя получше, а где похуже, и на основе этой информации принимает решение о дозе распыляемого средства, составляет полетное задание. Дрон разбивает поле на пятиметровые квадраты и распыляет средство в соответствии с заданными параметрами. Он летит над всем полем равномерно, но регулирует подачу в зависимости от участка.

Экономия достигается не только благодаря дифференцированному внесению, но и за счет отсутствия технологической колеи на поле. Колея традиционной техники нужна для ухода за посевами, минимизации гибели растений под колесами тракторов и машин, однако сама по себе она является необходимым злом.

— Если учитывать опыт наших коллег из Украины и порционные данные из Китая, потери от захода техники на поле составляют 3—7% от всех затрат на вспашку, удобрение и посев. Вся эта работа под колеей просто уничтожается.

Тем не менее беспилотные полеты над полем не заменяют классическую наземную технику и внесение с помощью малой авиации. Когда у вас огромное открытое поле без ЛЭП, лесов, проще заказать самолет. А если речь об удаленном участке на самом краю хозяйства со сложным контуром, вкраплениями кустарников, то тут дрон проявляет себя лучше.

Пестициды в сельском хозяйстве используются для борьбы с сорняками, вредителями и болезнями растений. Но СЗР могут оказывать негативное влияние на окружающую среду. Поэтому постоянно совершенствуются технологии ультрамалообъемного опрыскивания (УМО), которые позволяют вносить минимальное количество рабочего раствора без снижения его биологической эффективности.

С применением УМО за счет диаметра форсунок и создания достаточного давления при распылении формируется капля очень малого объема.

— У наземной техники форсунки находятся достаточно низко над поверхностью растений — на расстоянии порядка 50—70 сантиметров, — объясняет Александр Гутковский, представитель проекта. — Там диаметр капли больше, около 300-350 мкм. Соответственно, используется более слабая концентрация препарата, что требует бо́льших объемов воды.

Пилотируемая авиационная техника, как правило, работает на высоте 15—20 метров над обрабатываемой поверхностью. Обработка раствором с малым диаметр капли с такой высоты не подойдет: она просто испаряется и не успевает осесть. Соответственно, капли там крупнее. Они скатываются с растения и частично уходят в землю.

Среди плюсов дронов-опрыскивателей можно отметить минимальный контакт человека с препаратом, автоматический полет и возможность облета препятствий. Благодаря микроволновому радару дрон удерживает определенную рабочую высоту над полем — 2,5—3 метра, при необходимости способен подняться до максимальных 30 метров. Такая высота может пригодиться для обработки плодовых деревьев, так и лесных массивов от вредителей.

— Для технологии опрыскивания есть ограничение по скорости ветра. Для внесения средств защиты растений оптимальными периодами являются поздний вечер и раннее утро, когда снижается скорость ветра, повышается влажность, падает температура. Капли распыляются точнее, не испаряются. Еще из плюсов — ночное опыление. Дрону освещение не важно, а в такое время отсутствуют насекомые, например пчелы, для которых СЗР могут нести угрозу.

Звучит это все прекрасно. Но каждому ли хозяйству такой дрон жизненно необходим?

— Мы пытались для сравнения узнать стоимость обработки традиционными методами. Сколько стоит обработать гектар наземной техникой? До сих пор мы не нашли четкого ответа, хотя это должно быть основой здоровой экономики.

Говорят, мол, тракторист за такую-то сумму гектар обработает. Но почему-то все забывают об амортизации техники, топливе, зарплате рабочего, объемах воды. При классическом способе на гектар расходуют 200 литров воды. На 10 гектаров — 2 тонны, бочка. Из лужи, канавы воду не наберешь. Бочка, трактор, тракторист, вода — себестоимость далеко не 10 рублей, но никто не занимается конкретными подсчетами.

По нашим подсчетам, стоимость обработки гектара составляет $25—30. Конечного пользователя такая цена может настораживать. Но мы не пытаемся заменить традиционную технологию. Где-то выгоднее пользоваться наземной техникой, ручной обработкой… Безусловно, надо работать так, как выгоднее. Мы работаем на сложных площадях: поля с большими перепадами высот и сложной конфигурацией, с естественными и искусственными препятствиями, линиями электропередач, близостью леса. Идеальным решением агро-дроны являются на полях с переувлажненной почвой и высокой растительностью.

За один час такой дрон способен обработать участок более 10 гектаров. Естественно, как и любая техника, со временем он изнашивается. Однако мультикоптеры хороши тем, что в них мало элементов, которые подвержены сильному износу. Основные слабые места — подшипники. Двигатель бесколлекторный, если не обращаться с ним грубо, то сломать тяжело.

— Сельскохозяйственная техника весьма дорогая. Если говорить про Agras, то один оператор может работать с пятью дронами одновременно в режиме роя. Аналогичная машина для внесения СЗР, которая передвигается по полю, может стоить до полумиллиона евро. Вопрос стоит скорее не в стоимости, а в обучении, подготовке операторов, которые смогут эффективно использовать дроны, — замечает Глеб Бондарик.

В Молдове и Украине стартовали

Одним из флагманов в плане использования беспилотной авиации в сельском хозяйстве является наша южная соседка. В Украине по состоянию на июнь 2021 года общая площадь полей, обрабатываемых дронами крупнейшего сервиса, превысила 1 млн гектаров. Отмечается, что рынок беспилотной техники в сельском хозяйстве там растет на 400—500% ежегодно. Наиболее продвинутые модели дронов позволяют обрабатывать до 18 гектаров в час, а каждый дрон рассчитан на обработку 5 тыс. гектаров за сезон.

Применяются в Украине и коптеры-тяжеловесы с двигателями внутреннего сгорания и максимальным взлетным весом 160 килограммов. Компании, которые предоставляют услуги по обработке полей, берут эквивалент 37 белорусских рублей за гектар при обработке до 100 гектаров. В эту сумму обычно не включена логистика — 37 копеек за километр, чтобы добраться до поля заказчика.

Прошлой осенью агродроны появились в Молдавии. Местное частное хозяйство закупило шесть агродронов по $10 тыс. каждый. Из плюсов отмечали значительно меньший объем используемой воды — 5—7 литров рабочего раствора вместо 100—300 литров воды на 1 гектар при традиционном опрыскивании. Посчитали себестоимость: на 1000 гектаров она обошлась в 170 леев за гектар (около $10).

Один из фермеров утверждал, что разница в цене между опрыскиванием трактором и дроном достигла 50% в пользу последнего.

Во многом серьезное развитие данного класса сельскохозяйственной техники зависит от четкого понимания экономики собственного хозяйства, себестоимости продукции, стоимости топлива, электричества, человеческого труда, условий и правил использования беспилотной авиации. Определенно понятно, что полностью заменить традиционную сельхозтехнику дроны не могут. Возможно, только пока что. Но в качестве экспериментальных трудяг на полях они выглядят интересно.

квадрокоптер, двигатель бесколлекторный, частота: 2.4 ГГц/5.8 ГГц, камера 12 Мп (макс. 60 fps), время полета: 31 мин, дальность: 6000 м

Регулярный мониторинг сельскохозяйственных угодий с помощью мультиспектральной съёмки для поиска растений, поражённых паразитами, либо пострадавших из-за засухи или избыточного полива;
Составление карт полей с указанием неблагополучных районов;
Распыление ядохимикатов в ручном и автоматическом режимах по результатам исследований;
Контроль результатов применения беспилотной авиации в сельском хозяйстве, сбор и хранение информации;
Координация в реальном времени действий парка из нескольких дронов на крупных предприятиях аграрного комплекса.

Преимущества квадрокоптера в сельском хозяйстве

Решение задач своими силами. Позволить себе эксплуатировать собственный сельскохозяйственный самолёт — дорого и сложно с точки зрения законодательства, обращаться к авиапредприятиям на регулярной основе также затруднительно. Обучить управлению дроном собственных сотрудников с нашей помощью — оптимальный выход из ситуации.

Экономия денег. Квадрокоптер дешевле, чем самолёт или вертолёт как в закупке, так и в эксплуатации. Вместо топлива он использует электричество — не нужен поставщик дорогого авиационного бензина, также не потребуются дорогостоящие регламентные работы и периодические продления сертификата лётной годности.

Мобильность и работа на небольших площадках. Когда речь идёт о посевах на малой территории, применение летательного аппарата становится неуместным, если это не компактный дрон. Не будет помехой и отсутствие аэродрома — квадрокоптер вертикально взлетает и приземляется, для запуска подойдёт площадка размером с лесную поляну.

Безопасность. Известно, что качество авиахимработ обратно пропорционально высоте полёта, а провода и другие препятствия — серьёзная угроза для воздушных судов. Используя дрон, вы не будете подвергать опасности жизни пилотов и других людей, а сотрудники, работающие на земле, будут меньше подвергаться воздействию вредных веществ.

Комплекс полного цикла с DJI Agras T16 для сельскохозяйственных работ

Картографирование сельскохозяйственных угодий, мониторинг состояния посевов и урожая, обработка полей удобрениями и ядохимикатами — в одном комплексе.

Специализированный комплекс для сельского хозяйства охватывает весь спектр задач, выполняемых беспилотной авиацией. В его составе используются летательные аппараты и дополнительное оборудование производства компании DJI, все компоненты работают в общей экосистеме для успешной координации работ.

В состав данного комплекса входит обновлённый высокопроизводительный дрон для распыления удобрений и ядохимикатов Agras T16, компактные квадрокоптеры для задач картографии, мультиспектральной съёмки и мониторинга, а также всё необходимое наземное оборудование.

Полный цикл сельскохозяйственных работ с применением БПЛА:

Кадастровая съёмка, картографирование, определение границ земельных участков;
Анализ плодородности почвы, планирование посевной кампании;
Регулярный мониторинг посевов, определение слабых и поражённых паразитами растений;
Адресное распыление пестицидов, гербицидов и жидких удобрений;
Определение степени созревания урожая и выявление оптимальных временных интервалов для сбора.

DJI Agras T16 — незаменимый инструмент для аграриев. Дрон в связке с дополнительный аппаратным и программным обеспечением позволит решить одну из основных проблем сельскохозяйственных предприятий — адресное и точное опрыскивание растений с большей эффективностью по сравнению с самолётами и вертолётами.

Бак дрона вмещает 16 л жидкости, а диаметр распыления увеличен до 6,5 м. Система опрыскивания оснащена четырьмя подающими насосами и восемью форсунками с максимальной производительностью 4,8 л/мин. T16 обрабатывает за один час участок в 10 га.

DJI Phantom 4 RTK

Дрон используется для построения ортофотопланов полей, снятия координат точек, необходимых для планирование миссий Agras T16 и определения границ и размеров земельных участков.

P4 Multispectral

Дрон с уникальной полезной нагрузкой собирает данные в видимом диапазоне и в шести невидимых глазу каналах спектра. Мультиспектральные ортофотопланы ложатся в основу оценки плодородности почвы, состояния посевов и степени созревания урожая. Программное обеспечения DJI Terra позволяет визуализировать на карте вегетационные индексы NDVI, GNDVI, NDRE, LCI и OSAVI.

На мультиспектральном ортофотоплане видны все возможные отклонения и изменения в качестве растений, это необходимо для того, чтобы быстро принимать верные решения по обработке культур на ранней стадии поражения. Также P4 Multispectral позволяет видеть реально засеянную, а не кадастровую площадь полей и обнаруживать сорные растения других видов.

Наземное оборудование и программное обеспечение

Всё необходимое для успешного применение дронов — в комплекте, вам не придётся приобретать дополнительные компоненты. Комплекс включает:

Мобильную станцию D-RTK 2 High Precision GNSS;
4-канальное зарядное устройство для аккумулятора DJI Agras T16;
ПО DJI GS Pro (TeamProfessional) с лицензией на 1 год;
ПО DJI Terra Basic с лицензией на 1 год.

Беспилотный комплекс полного цикла для сельского хозяйства включает октокоптер DJI Agras T16, квадрокоптеры Phantom 4 RT.

В настоящее время дроны получают широкое применение, т.к. предназначены для решения таких задач, как контроль за экологическим состоянием лесных массивов, сельскохозяйственных угодий (взятие проб воздуха, воды, грунта и другие дистанционные исследования земли).

Алгоритм работы

Работа БЛА в режиме локального мониторинга происходит следующим образом. По сигналу наземной навигационной инерциальной интегрированной системы на монитор портативного компьютера выводится карта местности исследования и координаты транспортного средства или оператора.

При помощи клавиатуры программируется траектория полета (змейка, прямолинейная и т.д.), скорость полета, высота и конечная точка маршрута. Полет дрона проходит полностью в автономном режиме. После набора нужной высоты, квадрокоптер начинает движение по траектории, передавая координаты своего движения и видео изображение в реальном времени.

На дисплей портативного компьютера выводятся карта исследуемой местности, координаты видео изображения, видео изображение участка поверхности и конечная точка маршрута. В ходе полета квадрокоптер может зависать над указанной точкой, менять скорость полета и высоту зависания.

Посадка происходит в автоматическом режиме. При дополнительном оснащении дрона аккумуляторами или введении в строй второго дрона появляется возможность осуществления длительного или непрерывного патрулирования района.

В качестве дополнительного оснащения так же могут служить приборы для широкопрофильного исследования окружающей среды, а точнее для сбора различной информации (химической, биологической или радиолокационной).

Модуль с датчиками имеет автономные посадочные места и, в зависимости от поставленных задач, может быть заменен в ходе работ. Кроме того в состав телеметрируемых данных входят скорость ветра, давление и температура.

Беспилотные технологии являются эффектным средством обеспечения исследования и функционирования объектов земельной инфраструктуры. С использованием таких технологий решаются следующие задачи:

Информационное обеспечение работ по страхованию и учету имущества, землеустроительных и кадастровых работ,
Мониторинг полей и сельскохозяйственных угодий с повышенной экологической нагрузкой,
Создание различных картографических материалов для изучения эксплуатации объектов земельного хозяйства.

Первичные и вторичные метрические материалы беспилотной съемки используются в кадастровых работах с целью выявления границ участков, высокоточного позиционирования линий межевания и т.д. Метрические фотопланы и фотосхемы выполняются на основе первичных материалов беспилотной съемки, методом сопоставления и склеивания отдельных смежных или пересекающихся изображений сельскохозяйственных угодий и полей с использованием условных точек и планово-высотного обоснования фотосъемки без учета рельефа ландшафта. Такие схемы создаются на сравнительно малые территории и в дальнейшем используются для их векторизации с целью получения цифровых планов полей и сельскохозяйственных территорий.

Применяя продукцию картографирования земельных участков по материалам авиационной съемки БПЛА, решаются такие важные задачи, как:

Современные беспилотные летательные аппараты способны создавать десятки разновидностей цифровых карт полей для мониторинга:

Однородности поля
Развития заболеваний
Посевов и всхожести
Индекса вегетации растений
Показателей состояния растений

Потребности в NPK
Высоты растений с учетом рельефа
Степени развития и состояния крон деревьев
Количества растений при рядной посадке

Зарастания сорняками
Поражения полей вредителями
Состояние переувлажненных
или засушливых участков
NDVI карты

Новый сверхтехнологичный метод управления агробизнесом, который мы можем предложить нашим клиентам уже сегодня. Применение мультиспектральной камеры помогает выявить изменения и отклонения в развитии растений до того, как они станут заметны в видимом спектре. Дрон с таким оборудованием поможет определить участки осолоненности почвы, болезни и появление насекомых на самых ранних этапах, что позволяет оперативно провести точечную обработку без риска потери урожая.

Читайте также: