Дроны в сельском хозяйстве

Дроны в сельском хозяйстве

Мода на дроны

Беспилотный агродрон, мультиспектральная съемка, автопилот, дифференциальное внесение инсектицидов и фунгицидов — вот слова, которые все чаще встречаются в статьях, посвященных сельскому хозяйству. Как правило, речь идет о точном земледелии. Что же мы знаем о точном земледелии? Какова сегодня роль беспилотных дронов в сельскохозяйственных технологиях?

Точное земледелие — что же это такое?

Вначале о том, что пишут о точном земледелии в отраслевых СМИ. Одни статьи дают нам понять, что точное земледелие — это лаборатории, способные оперативно анализировать пробы грунта, взятые по специальной схеме в разных частях поля. Агролаборатории делают анализ проб почвы на содержание в них нужных для правильного роста растений веществ и микроэлементов. Другие статьи расскажут об умных сеялках или опрыскивателях, которые отсекают рабочие органы, заходя ими на обработаную уже ранее площадь, используя координаты системы GPS.

Опрыскиватель с отсекателем
Умны опрыскиватель с отсеканием секций
Беспилотный трактор
Беспилтный трактор. Ближайшее будущее

Колесная техника с работающим автопилотом способна двигаться по маршруту с сантиметровой точностью, что исключает просевы, пересевы и чрезмерное внесение химии в почву. Третьи — пишут о применении на полях водорастворимых удобрений и микроэлементов, которые вносятся в очень небольших количествах на гектар. Четвертые — о комбайнах, способных не только собирать урожай быстро и без потерь, но и строить по результатам сбора карту урожайности поля.

Комбайн New Holland с системой картирования урожая
Комбайн New Holland с системой картирования урожая
Камбайн с картированием урожая
Система картирования урожая в работе

Что могут дроны в сельском хозяйстве сегодня

В нашей статье мы расскажем вам о применении в сельском хозяйстве летающих дронов, в том числе и для точного земледелия. Для начала, давайте разберемся, что же такое современный дрон, в чем его преимущества в сравнении с традиционной сельскохозяйственной техникой. Вообще, дрон или беспилотник — это любой механизм, который перемещается без непосредственного управления пилотом — человеком. Следовательно трактор, оснащенный автоматической системой параллельного вождения — это тоже «дрон», а тракторист — его дистанционный пилот! В этой статье мы будем говорить о летающих дронах. Типов и классов воздушных беспилотников тоже немало. Чаще всего, говоря «дрон», люди имеют в виду именно летательный аппарат, как правило небольшой, с несколькими пропеллерами. Помимо мультироторов, а именно так называется этот класс беспилотников, для сельского хозяйства применяют дроны самолетного типа, дроны традиционного вертолетного типа с одним несущим винтом, и даже появившиеся совсем недавно дроны-гибриды, сочетающие в себе возможность вертикального взлета и посадки как у мультиротора, с возможностью долго и быстро летать на большие расстояния как у самолета. Такие гибридные дроны получили название VTOL (Vertical TakeOff and Landing — вертикальный взлет и посадка). Для всех этих летающих диковинок сегодня существуют объединяющее название «БАС» — Беспилотные Авиационные Системы.

Дрон мультиротор для сельского хозяйства
Дрон — мультиротор
Дрон самолетного типа
Дрон самолетного типа
Агродрон вертолетного типа
Дрон вертолетного типа
Дрон схемы VTOL
Дрон гибридной аэродинамической схемы

Учет и организация земельного фонда

Что же способны сделать БАС для увеличения урожая, его сохранения, снижения затрат и оптимизации сельскохозяйственного производства? Давайте по порядку. Начнем с общего земельного фонда хозяйства. Те фермеры, которые много лет работают на одном и том же участке земли, конечно же знают, какие у них в распоряжении посевные площади и их особенности. Но даже при данных условиях, всегда ли площадь земли равна произведению длины участка на ширину? Вроде бы очевидный ответ — да! Но только в том случае, если земля на участке ровная и плоская. На деле, очень часто обрабатываемые земли расположены на холмистой местности, где могут встречаться холмы, ложбины и даже овраги. В этом варианте реальная площадь поверхности земли будет сильно отличаться в большую сторону от полученной простым умножением. Что это для нас означает? Во-первых, другой расчет количества солярки, посевного материала, удобрений, прочей агрохимии для такого поля. Во-вторых, низины на поле могут заполняться водой после таяния снега, а озимые в этих низинах просто погибнут под водой после зимы. Есть еще в-третьих, и в-четвертых. Словом, рельеф, а иногда и микрорельеф, поля играет весомую роль. Как раз в этом вопросе съемка с дрона может помочь фермеру лучше всего. Аэрогеодезия позволяет обработать отснятый летающим дроном — беспилотником — материал, и получить весьма полезные данные. Во-первых, карту, а точнее — ортофотоплан поля с размерами и привязкой к координатам GPS.

Ортофотоплан поля
Ортофотоплан для организации земельного фонда

Ортофотопланы

Такой ортофотоплан позволяет точно измерить геометрические размеры поля и определить его геометрическую площадь в проекции. Это будет та площадь, за которую фермер платит налог на землю и арендную плату. Кроме того, полученный с помощью дрона ортофотоплан, даст много дополнительной информации для внимательного агронома. Тут видны и просевы, и пересевы, и участки где растения погибли, и следы вытаптывания поля людьми и техникой. Причем, не просто видны, на ортофотоплане их можно подсчитать, измерить площадь и получить векторные контуры интересных и проблемных участков для дальнейшей работы с ними. Скажем, для составления заданий наземной беспилотной технике которая так же работает с использованием векторных контуров и GPS координат.

Создание маршрута для сельхоз техники
Создание маршрутов для сельхоз техники

Карты высот

Во-вторых, мы получаем карту высот — плоскую карту, показывающую рельеф поля. На этой карте перепады уровня поверхности обозначены цветами, как на привычной со школы геофизической карте, где горы коричневые, а низины зеленые. Помимо цветовой кодировки на карту рельефа наносятся изолинии, соединяющие точки, лежащие на одном уровне. Для работы с рельефом удобно, когда высоты в метрах нанесены вместе с изолиниями. Такая маркировка помогает обнаружить проблемные места на полях.

Карта высот
Карта высот с изолиниями

Трехмерная цифровая модель рельефа

В-третьих, обработав данные аэрофотосъемки с дрона, мы получаем объемную модель рельефа (ЦМР — цифровая модель рельефа), по которой можно вычислить фактическую площадь поля с учетом холмов и впадин. Фактическая площадь поверхности, кстати, всегда больше геометрической площади, вычисленной как произведение длины на ширину.

Линейные измерения на 3D модели
Линейные измерения на модели рельефа
Измерение площади поверхности и объема по 3D модели
Измерения площади поверхности и объема на модели рельефа

Традиционная картография с помощью дронов

В-четвертых, на основе ортофотоплана мы можем создать традиционную карту местности с обозначением дорог, лесополос, полей и т. д. в привычном виде. По карте можно точно измерять длины, углы и площади, в отличие от обычной фотографии поля с высоты птичьего полета.

Обновленная карта
Традиционная карта с изолиниями и отметками рельефа

Мультиспектральная съемка

Следуем далее. Любой фермер подтвердит, что все его поля разные и неоднородные. Даже в пределах одного поля есть участки, где урожай всегда отличается от среднего. На одних участках — он заметно выше, на других — ниже. Причем, для разных культур эти различия могут быть диаметрально противоположными. От чего это зависит? Факторов много. Рельеф поля — одни склоны холма больше обращены к солнцу, другие затенены. Минеральный состав. Разная влажность почвы. Разная засоренность сорняками, подверженность вредителям, и это еще не полный список. Факторов так много, что спрогнозировать их влияние на конкретную культуру в определенной стадии вегетации да еще учесть влияние погоды, не всегда под силу даже опытному агроному. Даже зная о такой мозаичности, у агронома все равно возникают вопросы по ведению поля. Здесь тоже есть различные подходы. Можно, к примеру, не обращать на мозаичность внимания, надеясь на средний урожай. Можно дополнительно подкармливать растения на слабых участках в бОльшей степени. Можно наоборот, тратить меньше дорогих удобрений и семян на потенциально слабые и бесперспективные участки и, в то же время, увеличивать их дозировки на потенциально сильные участки, чтобы снизить общие финансовые затраты по полю и увеличить общую урожайность. И, наконец, можно просто передисковать поле целиком или частично, если виды на будущий урожай не покрывают предполагаемых вложений. Решения не однозначные, не простые, и ответственные. В этих условиях агроному и фермеру очень пригодится объективная система поддержки принятия решения. Такая система даст количественные показатели, на базе которых можно принять осознанное и наименее рискованное для данной ситуации решение. Исходными данными для системы может служить информация, получаемая в результате обработки мультиспектральной съемки с дрона. [Подробнее о методике мультиспектральной съемки с дрона можно узнать из нашей статьи].

Стресс на поле по данным мультиспектральной съемки
Карта стресса по данным мультиспектральной съемки

Создание заданий для систем параллельного вождения

Получив в результате мультиспектральной съемки поля информацию о его зонировании по разным показателям — уровню стресса у растений, вегетативной массе, распределению удельного содержания хлорофила по полю, уровню засоренности сорняками и их локализацией, фермер или агроном сможет выработать правильные стратегии ведения этого поля. И вот, используя материалы полученные с дрона, агроном принимает решение об обработке поля гербицидами. Можно залить поле колесным опрыскивателем равномерно, что дорого по стоимости препарата и затратам на внесение. Можно с более дорогого, но «умного» колесного опрыскивателя внести гербицид дифференцированно, что дешевле по расходу препарата, но дороже по стоимости внесения. А можно использовать беспилотный агродрон, который не только изначально рассчитан на дифференциальное внесение жидкостей, но еще и не топчет поле, не добавляет растениям стресс от механического контакта с частями опрыскивателя и жаром от его двигателя.

Агородрон распылитель
Агродрон распылитель на маршруте

Внесение веществ дроном. Жидкости, гранулы, трихограмма, фумигация

В случае высоких культур, таких как подсолнечник и кукуруза, загнать на поле опрыскиватель вообще не всегда возможно. В отличие от опрыскивателей на колесном ходу, опрыскиватель на сельхоздроне может внести вещества на лист с ювелирной точностью, да еще и с расходом всего нескольких литров на гектар. Учитывая тот факт, что дрон буквально вдувает агрохимию до самой земли своими воздушными винтами, внесение жидкостей дронами на сегодняшний день становится едва ли не самым эффективным. Кроме жидкостей, дрон способен рассеивать по полю гранулированные препараты. И, разумеется, дроно можно вносить и трихограмму, как средство безопасной биологической защиты растений.

Еще один необычный вид внесения действующего вещества — это фумигация. При фумигации специальная установка на дроне создает мощный поток горячего воздуха. В горячий воздух подается смесь из жидкого и биологически нейтрального парообразователя и действующего вещества. Микро капли действующего вещества (ДВ) прикрепляются к частицам пара, затем биологически активный пар, с силой вырывается из сопла фумигатора.

Дрон фумигатор в действии

Паром с действующим веществом можно окуривать сады, виноградники, эффективно уничтожать вредителей на открытых складах, токах и в лесополосах, уничтожать комаров в камышах. Метод фумигации особенно эффективен в сочетании с дроном, доставляющим облако пара по назначению в места, куда иным способом не доберёшься.

Визуальное обследование полей с дронов. Видео и фотосъемка с высоты

До сих пор мы говорили о довольно сложных и наукоемких способах применения дронов в сельском хозяйстве. Сейчас имеются и относительно простые способы их использования. Для агрономов всегда было проблемой заглянуть в середину большого поля, чтобы хотя бы «на глаз» оценить что же там происходит. Этим сегодня часто пользуются люди, не только крадущие часть урожая, но и подсевающие на чужое поле свои культуры. Обнаружить такие «грядки» где-нибудь в середине кукурузного или подсолнечникового поля без взгляда с высоты — почти невозможно.

Снимок поля с дрона
Снимок проблемных участков поля с дрона
Участок нелегального подсева обнаруженный с дрона
Участок нелегального подсева обнаруженный с дрона

Небольшие дроны производимые китайской компанией DJI на сегодня признаны лидерами потребительского рынка дронов по соотношению цены и возможностей. Небольшой, буквально карманный дрон способен помочь агроному увидеть большое поле целиком, или подлететь к интересному участку поближе, для детальной фоото- и видеосъемки. Возможности видеосъемки с современных дронов просто поражают воображение! Каждый кадр такого воздушного видео имеет размер почти 9 мегапикселей. Такой снимок превосходит по размеру кадры первых профессиональных цифровых «зеркалок». При этом, дрон успевает снимать по 25 таких кадров в секунду. Облетев поле дроном с включенной видеозаписью, вы можете не беспокоиться о том, что пропустите важные подробности.

Видеокадр над полем с дрона
Видеосъемка поля

Тепловизионные камеры на дронах для сельского хозяйства

К стати говоря, ночь тоже не скроет от ваших глаз происходящее на поле. В нашем распоряжении имеются дроны с тепловизорами, способные видеть ночью. Помимо возможности обнаруживать на поле постороннюю технику, людей и животных, дрон с тепловизором может дистанционно измерять температуру почвы, своевременно выявлять очаги пожаров, помогать в поисках пропавших животных.

Снимок поля в видимом спектре
Снимок поля в видимом спектре
Тепловизионный снимок поля. Видна разность температур по участкам
Тепловизионный снимок поля. Видна разность температур по участкам

Ограничения применения дронов в сельском хозяйстве

Думаю, у читателя уже возникает вопрос, в чем же подвох, почему дроны до сих пор не применяют в сельском хозяйстве повсеместно? Основным ограничением применение дронов являются их аккумуляторы. Литий-полимерные батареи уже достигли пика своих возможностей. Плотность энергии у них 370Вт/Кг. Это лучший показатель среди аккумуляторов на рынке. Справедливости ради нужно сказать, что у бензина в одном Кг содержится в 20 раз больше энергии чем в литий-полимерной батарее. С литий-полимерным аккумулятором лучшие мультироторные дроны летают от 40 минут до 1 часа. Серийный дрон от DJI — в среднем до полу-часа. Нагруженный дрон — только 10 — 20 минут. Если бы не это, почти все сельхозоперации, кроме силовых, можно было бы выполнять дронами! В последнее время много статей посвящено новым разработках аккумуляторных батарей. Самые перспективные — это литий-воздушные батареи, обещающие, по крайней мере, двойной прирост времени полета. Еще один способ увеличить время полета — гибридная силовая установка на дроне. То есть, на дрон установлен бензиновый мотор с электрогенератором, который подзаряжает ходовые батареи прямо в полете.

Дрон с гибридной силовой установкой
Дрон с гибридной силовой установкой

Гибридные дроны. Перспективы.

В воздухе гибридные дроны могут оставаться несколько часов. Разумеется, масса бензинового двигателя с генератором уменьшает вес полезной нагрузки дрона, но это не очень большая плата за значительный прирост времени полета. На сегодня гибридная технология — это самый эффективный способ увеличения продолжительности полета.

Ближайшее будущее

Я полагаю, день, когда дроны стремительно и массово займут новые ниши в сельскохозяйственном производстве, настанет скорее, чем мы ожидаем. Это неизбежно. Сейчас мы находимся на этапе отработки и внедрения роботизированных методов ведения сельского хозяйства. Те, кто сегодня успеет сесть на поезд в Будущее, завтра станут победителями в конкурентном соревновании, успешными лидерами, и проводниками новых технологий.

Профессия пилота оператора дрона в сельском хозяйстве — одна из востребованных профессий Будущего. В нашей школе пилотов дронов мы готовим лучших специалистов в области применения квадрокоптеров во всех областях человеческой деятельности. Пройдите обучение у нас, и таньте проводником Будущего уже сегодня!