Технології дистанційного визначення бур’янів

Застосування ЗЗР — один із найважливіших факторів, що впливають на врожайність. Раціональне використання агрохімікатів на ранніх стадіях росту — запорука повноцінного формування та розвитку культури.

Раціоналізація застосування ЗЗР — один із найважливіших факторів рентабельності

Протягом 2016-2018 року ринок ЗЗР в Україні виріс на 12% (з $820 млн до $920 млн). При цьому обсяг препаратів, що вносяться, зріс на 4%. Україна здатна забезпечити себе пестицидами не більше ніж на 20%, і критично залежить від імпорту.

У 2017 році вартість ЗЗР для аграріїв збільшилася на 30%. Після масової ліквідації хімічних підприємств Китаю (в рамках взятого країною курсу на зниження хімічного виробництва), ціни на окремі види продукції збільшилися вдвічі (азоксистробін). Раціоналізація застосування ЗЗР — необхідний фактор досягнення рентабельності сільгоспвиробництва.

До 30% від загальної кількості втрат урожаю обумовлені проблемами з бур'янами

Бур'яни нерівномірно поширюються на різних ділянках поля — це їх специфіка.  Своєчасне виявлення і обробка осередків виникнення — найважливіший фактор контролю їх поширення.

З розвитком технологій на зміну неефективному й трудомісткому візуальному огляду прийшли методи спостереження із застосуванням БПЛА та супутників дистанційного зондування Землі. Вони дозволяють оцінювати стан посівів на значних територіях з необхідною періодичністю. Також останнім часом для визначення забур’яненості  застосовуються технології машинного навчання та робототехніка.

Щорічні втрати від шкідників, хвороб і бур'янів можуть досягати до 40% від світового врожаю. До 30% від загальної кількості втрат викликані проблемами з бур'янами. Отримати високу врожайність окремих культур (кукурудза, рапс та ін.) без правильного застосування ЗЗР взагалі неможливо.

Звичайні методи боротьби з бур'янами полягають у внесенні  гербіцидів на все поле. Ця практика зумовлює перевитрату діючої речовини, що збільшує витрати агровиробника та призводить до забруднення навколишнього середовища.

Мінімізувати використання ЗЗР і зберегти продуктивність — завдання точного землеробства. Реалізувати цю задачу допоможе виявлення та ідентифікація бур’янів за допомогою спеціальних технічних засобів.

Застосування супутників для розв’язання проблеми

Супутниковий моніторинг економічно найбільш вигідний для виявлення бур’янів. Однак після появи сходів визначити забур’яненість за допомогою супутників — неможливо, через подібність відбивної здатності бур’янів та сільськогосподарських культур. Спектральний відгук цільових бур'янів має чітко відрізнятись від фону. Тому на практиці супутники застосовуються або для визначення ступеню ураження поля бур'янами до появи сходів, або на вільних від культур полях. Також ДЗЗ (дистанційне зондування землі) використовують для оцінки ефективності боротьби з бур'янами, завдяки періодичності отримання знімків.

Моніторинг забур’яненості за допомогою дронів

У зв’язку зі швидким розвитком БПЛА та покращенням їх технічних характеристик (час польоту, якість фотообладнання) — збільшується економічна ефективність їх застосування.

Моніторинг за допомогою БПЛА проводиться на різних стадіях вегетаційного розвитку рослин. Обладнані сучасними RGB-камерами камерами дрони отримують знімки з високою роздільною здатністю 1-2 см/піксель, яка дозволяє виявити окремі культури та бур'яни.

На ранніх стадіях росту просапних культур знімки БПЛА застосовують для визначення наявності бур'янів у міжряддях. За допомогою алгоритмів обробки знімків ідентифікуються ряди посівів та міжряддя. Таким чином, вся рослинність у міжряддях ідентифікується як бур’ян.

Отримана інформація може використовуватись для складання карт диференційованого внесення гербіцидів. Щоб визначити тип бур'янів та ефективний спосіб боротьби з ними, доцільно обстежити найбільш проблемні ділянки.

На ранніх стадіях розвитку культур також ефективна оцінка рослинної маси. Для цього застосовують обльоти БПЛА з гіперспектральними камерами та вегетаційні індекси. Зважаючи на специфіку розвитку бур'янів (високій швидкості росту), ділянки з високим значенням індексу NDVI ймовірно вражені, тому потребують негайної уваги агровиробника.

Технології машинного навчання для визначення бур’янів — рішення платформи Hummingbird

Машинне навчання приносить хороші результати в питаннях ідентифікації рослин. Однак технологія вимагає значної кількості даних, які “навчатимуть” систему. Збір цих даних — надзвичайно складне завдання, за яке взялась компанія Hummingbird Technologies. Сьогодні дана платформа пропонує своє ефективне рішення проблеми забур’яненості.

Значна частина сільськогосподарського поля може не містити абсолютно ніяких бур'янів або їх наявність буде мінімальною. Планові обльоти полів допоможуть оцінити загрозу поширення бур'янів. На основі обробки отриманих знімків складається карта наявності бур'янів.

Технологія Hummingbird пропонує три продукти для виявлення бур'янів та створення карт-завдань на диференційоване внесення гербіцидів.

Один з продуктів визначає зони забур’яненості на полі на основі вегетаційного індексу NDVI. Це здійснюється  до посіву та диференційованого внесення ґрунтового гербіциду. На заході поширена практика внесення страхового гербіциду. В такому разі обліт дронами та визначення зон забур’яненості проводиться після посіву до появи сходів. Цей продукт підходить для всіх культур, а саме озимі та ярові пшениця, ячмінь, ріпак, кукурудза, соняшник, соя, картопля, цукровий буряк.

Для посівів просапних культур з широкими міжряддями (понад 40 см) — зони забур’яненості ідентифікуються за допомогою БПЛА, оснащених RGB-камерами. Картографування бур'янів у міжряддях відбувається шляхом видалення із зображення культури та пошуку залишкової зеленої маси. Все це здійснює система штучного інтелекту. Після чого створюється карта диференційованого внесення страхового гербіциду.

Такі карти можуть складатися до обробки полів ЗЗР і впродовж 10-14 днів після обробки — для визначення ефективності проведеного обприскування та виявлення стійких до гербіциду бур'янів.

В Україні ці послуги уже доступні.

Обліт для моніторингу наявності бур'янів перед внесенням хімікатів для різних культур виконується на певних стадіях розвитку рослини. 

Наявність бур'янів у міжряддях озимого ріпаку визначається після застосування грамініцидів для встановлення ділянок зі стійкими до їх впливу рослинами.

Не менше трьох разів обстежуються посіви соняшника і кукурудзи.

Інші інноваційні рішення боротьби з бур'янами

Інтеграція датчиків та сенсорів у сільськогосподарське обладнання дозволяє автоматизувати процеси виявлення і видалення бур'янів. Навісне обладнання для тракторів і сільськогосподарських машин вже використовується для роботи на просапних культурах і в садах.

Системи WeedSeeker компанії Trimble та WEEDit надають можливість диференційовано вносити гербіциди.

Точкове обприскування бур'янів проводиться завдяки світлодіодам, які сканують поверхню у червоному та інфрачервоному діапазоні. Відбите світло аналізується, якщо виявляється бур’ян — тоді подається сигнал на форсунку, і вона спрацьовує.

Принципово інше рішення пропонує система XPower, яку вже використовують New Holland та Case IH. В цьому випадку застосовуються не агрохімікати, але електрострум. За словами розробників система знищує бур'яни до коренів. У зв’язку зі зростаючою стійкістю бур'янів до пестицидів, такі системи як XPower зможуть зайняти свою нішу на ринку. 

Розробки у сфері робототехніки

Автоматизація процесів обробки бур'янів — найважливіший аспект автономного сільського господарства.

Економічна ефективність рішень поки не виправдовує впровадження робототехніки в сільське господарство. Системи роботизованої прополки використовують комп'ютерний зір для ідентифікації бур'янів і точкового розпилення. Вони дозволяють заощадити 90% бюджету на пестициди (у порівнянні з польовим обприскуванням), але вартість придбання та обслуговування технології на даному етапі занадто висока.

Серед розробок, які пройшли польові випробування виділяються: платформа для сільськогосподарських і прополювальних робіт BoniRob від компанії Bosch; AgBot II (QUT) — робот для автономного внесення добрив, виявлення і класифікації бур'янів, а також механічного або хімічного контролю над бур'янами; "Вбивця бур'янів" від EcoRobotix — робот для посіву ріпаку та буряка, що знижує витрати на пестициди у 20 разів; RIPPA (розроблений дослідниками University of Sydney) — робот, що працює на сонячній енергії, ідентифікує, видаляє і здійснює точкове обприскування, та інші.

Робототехніка з часом стане доступнішою для агровиробників і підвищить ефективність боротьби з бур'янами. Але сьогодні найбільш ефективне рішення — це платформи, які аналізують знімки дронів за допомогою машинного навчання. На основі цієї інформації системи створюють карти забур’яненості й диференційного внесення гербіцидів. Такі рішення дозволяють заощадити до 20% гербіцидів, підвищивши при цьому врожайність.