Vaizdas iš viršaus: kaip bepiločiai orlaiviai stebėjimui iš oro keičia pasaulio žemės ūkį

Didėjant pasaulio gyventojų skaičiui, klimato nepastovumui ir nuolatiniam tvarios praktikos poreikiui, žemės ūkio sektorius atsidūrė kritiniame taške. Ūkininkams ir agroverslo įmonėms visame pasaulyje tenka didžiulis iššūkis: pagaminti daugiau maisto su mažiau išteklių. Tradiciniai metodai, nors ir pamatiniai, dažnai yra nepakankami šiam poreikiui patenkinti reikiamu tikslumu ir efektyvumu. Į sceną žengia transformuojanti technologija, siūlanti naują perspektyvą – tiesiogine to žodžio prasme. Bepiločiai orlaiviai (UAV), arba dronai, aprūpinti pažangiais jutikliais, suteikia precedento neturintį „akies danguje“ vaizdą, pradėdami naują duomenimis grįsto, tiksliojo žemės ūkio erą.

Šiame išsamiame gide nagrinėjamas stebėjimo iš oro pasaulis žemės ūkyje, peržengiant reklaminį triukšmą ir pateikiant išsamų žvilgsnį į technologiją, jos taikymo sritis, teikiamą apčiuopiamą naudą ir iššūkius, su kuriais susiduriama diegiant ją visame pasaulyje. Nuo plačių Šiaurės Amerikos grūdų laukų iki terasinių Europos vynuogynų ir atogrąžų plantacijų Pietryčių Azijoje, dronai tampa nepakeičiamu šiuolaikinio ūkininko įrankiu.

Kas yra dronais paremtas stebėjimas iš oro žemės ūkyje?

Iš esmės, žemės ūkio stebėjimas iš oro – tai praktika, kai naudojami dronai, siekiant iš oro užfiksuoti didelės raiškos vaizdus ir duomenis apie pasėlius, dirvožemį ir ūkio infrastruktūrą. Tai yra pasėlių žvalgymo – tradicinės praktikos, kai rankiniu būdu vaikštoma po laukus ieškant problemų – evoliucija. Nors palydovai jau seniai siūlo vaizdą iš paukščio skrydžio, dronai užpildo svarbią nišą, turėdami aiškių pranašumų:

• Neprilygstama raiška: Dronai skraido mažesniame aukštyje, fiksuodami duomenis centimetrų lygio detalumu, gerokai viršijančiu daugumos palydovinių vaizdų raišką. Tai leidžia identifikuoti atskirus augalus ir labai specifines problemas.
• Panaudojimas pagal poreikį: Skirtingai nuo palydovų, kurie turi fiksuotą pakartotinio apsilankymo laiką, dronus galima paleisti bet kada, kai to reikia, leidžiant ūkininkams reaguoti į problemas beveik realiu laiku, ypač po kritinių oro reiškinių, tokių kaip audros ar sausros.
• Nuo debesų nepriklausomas veikimas: Dronai skraido žemiau debesų, užtikrindami, kad duomenis galima rinkti net ir debesuotomis dienomis, o tai yra didelis apribojimas stebėjimui iš palydovų.

Ši technologija nėra tik nuotraukų darymas. Tai yra didžiulių kiekių specifinių duomenų rinkimas ir sudėtingos programinės įrangos naudojimas, siekiant tuos duomenis paversti veiksmingomis įžvalgomis, kurios skatina protingesnius, pelningesnius ir tvaresnius ūkininkavimo sprendimus.

Technologija už akių danguje

Sėkminga dronų stebėjimo programa – tai aparatinės ir programinės įrangos simfonija, veikianti kartu. Suprasti šiuos komponentus yra raktas į jų galios įvertinimą.

Žemės ūkio dronų tipai

Drono pasirinkimas daugiausia priklauso nuo ūkio dydžio ir topografijos.

• Daugiarotoriai dronai: Tai labiausiai paplitęs tipas, primenantis sraigtasparnius su keliais sraigtais (paprastai 4, 6 arba 8). Jie vertinami dėl savo stabilumo, manevringumo ir gebėjimo sklandyti ore, todėl puikiai tinka artimam patikrinimui ir detaliems mažesnių, sudėtingos formos laukų, pavyzdžiui, vynuogynų ar specializuotų kultūrų ūkių, žemėlapiams sudaryti.
• Fiksuoto sparno dronai: Primindami mažus lėktuvus, šie dronai yra sukurti ištvermei ir greičiui. Jie gali aprėpti didžiulius plotus – šimtus hektarų – per vieną skrydį. Dėl to jie yra idealus pasirinkimas didelio masto prekių pasėlių ūkiams, pavyzdžiui, plačiuose kviečių laukuose Australijoje ar sojų pupelių ūkiuose Brazilijoje. Jiems reikalingas kilimo ir tūpimo takas arba katapulta, ir jie mažiau tinka sklandymo patikrinimams.
• VTOL (vertikalaus kilimo ir tūpimo) hibridai: Naujesnė kategorija, jungianti geriausias abiejų pasaulių savybes. Šie dronai kyla ir leidžiasi kaip daugiarotoriai, bet pereina į fiksuoto sparno skrydį efektyviam didelio ploto padengimui. Jie suteikia lankstumo ūkiams su įvairiu reljefu ir be specialių kilimo ir tūpimo takų.

Tikroji galia: pažangūs jutikliai ir kameros

Pats dronas yra tik platforma; tikroji magija slypi jo nešamuose jutikliuose. Šie jutikliai mato pasaulį taip, kaip negali žmogaus akis.

• RGB (raudona, žalia, mėlyna) kameros: Tai didelės raiškos vaizdo kameros, panašios į esančias vartotojų fotoaparatuose. Jos yra neįkainojamos atliekant tokias užduotis kaip augalų skaičiavimas, sodinimo tarpų vertinimas, matomo piktžolių spaudimo nustatymas ir aukštos raiškos 3D reljefo žemėlapių kūrimas.
• Multispektriniai jutikliai: Tai, be abejonės, svarbiausias jutiklis pasėlių sveikatos analizei. Multispektriniai jutikliai fiksuoja šviesą specifinėse siaurose juostose, įskaitant esančias už matomo spektro ribų, pavyzdžiui, artimųjų infraraudonųjų spindulių (NIR) ir raudonosios ribos. Sveiki augalai labai stipriai atspindi NIR šviesą, o patiriantys stresą ar nesveiki augalai ją sugeria. Analizuojant atspindėtos raudonos ir NIR šviesos santykį, programinė įranga gali generuoti svarbius augmenijos indeksus.
• Hiperspektriniai jutikliai: Kitas lygis po multispektrinių, šie jutikliai fiksuoja šimtus labai siaurų spektrinių juostų. Šis neįtikėtinas detalumas leidžia labai specifiškai identifikuoti skirtingas augalų rūšis, ligas ir maistinių medžiagų trūkumus. Šiuo metu jų naudojimas labiau paplitęs moksliniuose tyrimuose ir didelės vertės žemės ūkyje dėl kainos ir duomenų sudėtingumo.
• Termoviziniai jutikliai: Šios kameros aptinka šilumos pėdsakus. Žemės ūkyje jų pagrindinis panaudojimas yra vandens valdymas. Augalai, patiriantys vandens stygių, bus šiltesni nei gerai hidratuoti augalai. Termoviziniai vaizdai gali akimirksniu atskleisti drėkinimo sistemų nuotėkius, užsikimšimus ar lauko sritis, kurios negauna pakankamai vandens, gerokai anksčiau nei augalai parodys matomus vytimo požymius. Jie taip pat gali būti naudojami gyvulių kūno temperatūrai stebėti.

Programinė įranga: nuo neapdorotų duomenų iki veiksmingų įžvalgų

Duomenų rinkimas yra tik pusė darbo. Reikalinga specializuota programinė įranga, kad gigabaitai vaizdų būtų paversti paprastu, suprantamu žemėlapiu, kurį galėtų naudoti ūkininkas.

• Skrydžio planavimo programinė įranga: Automatizuoja visą skrydžio misiją. Ūkininkas ar operatorius tiesiog apibrėžia lauko ribas žemėlapyje, nustato parametrus, tokius kaip aukštis ir vaizdų persidengimas, o programinė įranga sugeneruoja optimalų skrydžio maršrutą, kurio dronas laikosi autonomiškai.
• Fotogrametrijos ir vaizdų sujungimo programinė įranga: Paima šimtus ar tūkstančius atskirų drono užfiksuotų vaizdų ir sujungia juos į vieną didelės raiškos ortomozaikinį žemėlapį arba 3D lauko modelį.
• Analitikos ir ūkio valdymo platformos: Čia duomenys tampa žvalgyba. Šios platformos apdoroja multispektrinius duomenis, kad sukurtų sveikatos žemėlapius (kaip NDVI), leidžia kurti zonas ir generuoti receptinius failus kintamos normos tręšimui. Ūkininkai gali lyginti duomenis laikui bėgant, stebėti pokyčius ir integruoti dronų įžvalgas su kitais ūkio duomenimis.

Pagrindinės stebėjimo iš oro taikymo sritys šiuolaikiniame ūkininkavime

Šių technologijų sintezė atveria platų taikymo sričių spektrą, sprendžiantį kai kuriuos opiausius žemės ūkio iššūkius visame pasaulyje.

Pasėlių sveikatos stebėjimas ir streso nustatymas

Tai yra labiausiai šlovinamas žemės ūkio dronų pritaikymas. Naudodami multispektrinius duomenis, ūkininkai gali sugeneruoti normalizuoto skirtumo augmenijos indekso (NDVI) žemėlapį. Šis žemėlapis veikia kaip lauko sveikatos diagrama, naudojant spalvų skalę (paprastai nuo raudonos iki žalios), kad parodytų augalų gyvybingumą. Raudonos/geltonos sritys rodo stresą patiriančią ar mažiau sveiką augmeniją, o žalios sritys rodo sveikus, klestinčius augalus.

Ši ankstyvojo perspėjimo sistema leidžia ūkininkams identifikuoti tokias problemas kaip:

• Maistinių medžiagų trūkumai: Azoto trūkumo zonų pastebėjimas prieš visam pasėliui pagelstant.
• Kenkėjų antplūdžiai: Lokalizuotų kenkėjų, pavyzdžiui, voratinklinių erkių Brazilijos sojų lauke, protrūkių nustatymas prieš jiems išplintant.
• Grybelinės ir bakterinės ligos: Ankstyvųjų ligų, tokių kaip maras bulvių laukuose Europoje ar rūdys kviečiuose, požymių aptikimas.

Nustačius šias problemines sritis, ūkininkai gali ištirti jas vietoje (patikrinimas ant žemės) ir taikyti tikslinį gydymą, taupydami išteklius ir užkirsdami kelią dideliems derliaus nuostoliams.

Vandens valdymas ir drėkinimo optimizavimas

Vanduo yra brangus ir vis labiau menkstantis išteklius daugelyje pasaulio žemės ūkio regionų, nuo Kalifornijos Centrinio slėnio iki sausringų Artimųjų Rytų ir Šiaurės Afrikos lygumų. Dronai su termoviziniais jutikliais yra esminis pokytis drėkinimo efektyvumui.

Sukūręs lauko termovizinį žemėlapį, ūkininkas gali akimirksniu pamatyti, kurios sritys patiria vandens stygių (karštesnės) ir kurios gali būti perlaistytos (vėsesnės). Ši informacija padeda:

• Nustatyti neveikiančius purkštuvus ar užsikimšusias lašelines linijas.
• Įvertinti dirvožemio drėgmės kintamumą visame lauke.
• Sukurti receptinius žemėlapius kintamos normos drėkinimo (VRI) sistemoms, kurios tiekia daugiau vandens tik ten, kur jo reikia.

Šis tikslusis požiūris leidžia sutaupyti daug vandens, sumažinti siurbimo energijos sąnaudas ir auginti sveikesnius pasėlius, nepatiriančius streso dėl per didelio ar per mažo vandens kiekio.

Augalų skaičiavimas, pasėlio tankumo vertinimas ir derliaus prognozavimas

Daugeliui kultūrų optimalus augalų populiacijos tankumas yra labai svarbus siekiant maksimalaus derliaus. Po sėjos dronai su didelės raiškos RGB kameromis gali praskristi virš lauko ir, pasitelkus dirbtiniu intelektu pagrįstą programinę įrangą, pateikti tikslų augalų skaičių ir įvertinti pasėlio sudygimą.

Šie duomenys padeda ūkininkams:

• Priimti atsodinimo sprendimus: Jei tam tikrose srityse dygimo rodikliai yra prasti, ūkininkas gali priimti pagrįstą sprendimą atsodinti tas konkrečias zonas sezono pradžioje.
• Prognozuoti derlių: Sezono eigoje sujungus augalų skaičiaus duomenis su sveikatos duomenimis, ūkininkai gali generuoti labai tikslias derliaus prognozes. Tai neįkainojama planuojant logistiką, saugojimą ir rinkodaros strategijas. Šis pritaikymas naudojamas visame pasaulyje, nuo kukurūzų ir sojų ūkininkų JAV Vidurio Vakaruose iki didelių cukranendrių plantacijų.

Piktžolių, kenkėjų ir ligų žemėlapių sudarymas

Visuotinai purkšti herbicidais ir pesticidais yra brangu ir kenksminga aplinkai. Stebėjimas iš oro leidžia taikyti labiau chirurginį požiūrį. Dronai gali nustatyti ir pažymėti tikslią piktžolių lopų ar ligų židinių vietą.

Šis detalus žemėlapių sudarymas leidžia taikyti taškinį purškimą. Žemėlapį galima įkelti į GPS įrenginį turintį traktorių arba specializuotą purškimo droną, kuris tuomet purškia chemikalus tik paveiktose srityse. Nauda yra didelė:

• Sumažintos cheminių medžiagų sąnaudos: Kai kuriais atvejais ūkininkai gali sumažinti herbicidų ar pesticidų naudojimą iki 90%.
• Aplinkos apsauga: Mažesnis cheminių medžiagų nutekėjimas į vandens telkinius ir sumažintas poveikis netiksliniams organizmams.
• Kova su atsparumu herbicidams: Tikslinis purškimas padeda sulėtinti herbicidams atsparių piktžolių vystymąsi, o tai yra didelis pasaulinis iššūkis.

Dirvožemio ir lauko analizė

Net prieš pasodinant sėklą, dronai gali suteikti didžiulę vertę. Skrisdami virš tuščio lauko, dronai gali sukurti labai tikslius 3D topografinius žemėlapius. Šie duomenys padeda:

• Žemės lyginimo ir drenažo planavime: Nustatyti aukštas ir žemas vietas, siekiant optimizuoti lauko drenažą ir išvengti užmirkimo.
• Dirvožemio savybių analizėje: Derinant su dirvožemio mėginių ėmimu, dronų vaizdai gali padėti sudaryti dirvožemio tipo ir organinių medžiagų pokyčių žemėlapius.
• Kintamos normos sėjos ir tręšimo planuose: Kurti receptinius žemėlapius, kurie nurodo technikai taikyti skirtingas sėklų ar trąšų normas atsižvelgiant į kiekvienos zonos dirvožemio savybes ir topografiją.

Gyvulių stebėjimas

Stebėjimo iš oro taikymas apima ne tik pasėlius. Gyvulių augintojams, valdantiems dideles bandas didžiulėse, nelygiose vietovėse, pavyzdžiui, Australijoje, Argentinoje ar Pietų Afrikoje, dronai yra galingas įrankis. Naudodami dronus, dažnai su termovizinėmis ir vaizdo kameromis, augintojai gali:

• Greitai surasti ir suskaičiuoti gyvulius.
• Stebėti ganymosi modelius, kad valdytų ganyklų sveikatą.
• Nustatyti sergančius ar sužeistus gyvūnus pagal jų šilumos pėdsaką ar nejudrumą.
• Padidinti saugumą ir stebėti plėšrūnus.

Ekonominis ir aplinkosauginis poveikis: pasaulinė perspektyva

Dronų stebėjimo diegimas yra ne tik technologinis atnaujinimas; tai esminis poslinkis link efektyvesnio ir tvaresnio žemės ūkio modelio, turinčio gilų poveikį.

Ekonominė nauda

• Didesnis derlius: Ankstyvas ir tikslus problemų nustatymas bei intervencija tiesiogiai lemia sveikesnius pasėlius ir didesnį našumą iš hektaro.
• Sumažintos sąnaudos: Tikslus vandens, trąšų ir pesticidų naudojimas reiškia mažiau atliekų ir mažesnes išlaidas šiems svarbiems ištekliams.
• Pagerintas efektyvumas: Dronai gali apžiūrėti 100 hektarų lauką per mažiau nei valandą – užduotį, kuri žmogui užtruktų kelias dienas, atlaisvindami darbo jėgą kitoms svarbioms užduotims.
• Patobulintas rizikos valdymas: Geresnis derliaus prognozavimas ir realaus laiko lauko duomenys suteikia ūkininkams galimybę priimti labiau pagrįstus finansinius ir veiklos sprendimus.

Aplinkosauginė nauda

• Vandens tausojimas: Drėkinimo optimizavimas yra vienas reikšmingiausių indėlių į aplinkosaugą, ypač regionuose, kur trūksta vandens.
• Sumažintas cheminis pėdsakas: Taškinis purškimas dramatiškai sumažina į ekosistemą patenkančių herbicidų ir pesticidų kiekį.
• Mažesnės anglies dvideginio emisijos: Mažesnis sunkiosios technikos naudojimas visuotiniam purškimui ir žvalgymui reiškia mažesnes degalų sąnaudas ir mažesnį anglies pėdsaką.
• Pagerinta dirvožemio sveikata: Tikslus valdymas padeda išvengti pertręšimo, kuris laikui bėgant gali pabloginti dirvožemio kokybę.

Iššūkiai ir svarstymai dėl pasaulinio diegimo

Nepaisant įtikinamos naudos, kelias į platų pasaulinį dronų technologijos diegimą žemės ūkyje nėra be kliūčių.

Didelės pradinės išlaidos ir investicijų grąža (ROI)

Profesionalūs žemės ūkio dronai su multispektriniais jutikliais ir lydinčia programine įranga reikalauja didelių kapitalo investicijų. Smulkiems ūkininkams, kurie sudaro didelę dalį žemės ūkio bendruomenės Azijoje, Afrikoje ir Lotynų Amerikoje, ši kaina gali būti per didelė. Tačiau „dronų kaip paslaugos“ (Drones-as-a-Service, DaaS) modelių, kai ūkininkai samdo paslaugų teikėją skrydžiams atlikti ir duomenims apdoroti, augimas daro technologiją prieinamesnę.

Reguliavimo kliūtys

Dronų aviacijos taisyklės labai skiriasi įvairiose šalyse. Taisyklės dėl piloto sertifikavimo, skrydžio aukščio, skrydžių už tiesioginio matomumo zonos (BVLOS) ir skrydžių virš žmonių sukuria sudėtingą teisinių reikalavimų mozaiką. Tai gali būti didelė kliūtis operatoriams ir gamintojams. Reikalingas postūmis link labiau suderintų tarptautinių standartų, siekiant palengvinti sklandesnį diegimą.

Duomenų potvynis: valdymas ir interpretavimas

Vienas drono skrydis gali sugeneruoti milžinišką duomenų kiekį. Šių duomenų saugojimas, apdorojimas ir – svarbiausia – interpretavimas, siekiant priimti teisingus sprendimus, reikalauja naujų įgūdžių. Ūkininkams tenka mokytis, o agronomų, apmokytų skaitmeninio žemės ūkio srityje, trūkumas gali būti kliūtis. Siekiant išspręsti šią problemą, nuolat tobulinamas analitikos programinės įrangos patogumas vartotojui.

Ryšys ir infrastruktūra

Daugelis produktyviausių pasaulio žemės ūkio regionų yra kaimo vietovėse ir turi prastą arba jokio interneto ryšio. Tai kelia iššūkį didelių duomenų failų įkėlimui į debesijos pagrindu veikiančias apdorojimo platformas. Pradeda atsirasti sprendimai, apimantys kraštinę kompiuteriją (duomenų apdorojimas vietiniame įrenginyje) ir patobulintą palydovinį internetą.

Fiziniai apribojimai

Dronai yra jautrūs orui. Jie negali saugiai veikti esant stipriam vėjui, gausiam lietui ar sniegui. Baterijos veikimo laikas taip pat riboja skrydžio trukmę, nors tai nuolat gerėja, o fiksuoto sparno modeliai siūlo ilgesnę ištvermę.

Ateitis yra autonomiška: kas laukia stebėjimo iš oro?

Technologija vystosi kvapą gniaužiančiu greičiu. Ateityje stebėjimas iš oro žemės ūkyje bus dar labiau integruotas, protingas ir autonomiškas.

• DI ir nuspėjamoji analizė: Dirbtinio intelekto vaidmuo gilės. Užuot tiesiog nustatę esamas problemas, DI modeliai naudos istorinius ir realaus laiko duomenis, kad prognozuotų ligų protrūkius ar kenkėjų antplūdžius dar prieš jiems prasidedant, leisdami imtis prevencinių veiksmų.
• Dronų spiečiai: Įsivaizduokite koordinuotų dronų flotilę, dirbančią kartu, kad sudarytų milžiniškos plantacijos žemėlapį per dalį laiko, kurio šiandien reikia vienam dronui. Spiečių technologija sparčiai tobulėja ir pavers didelio masto operacijas dar efektyvesnėmis.
• Nuo „matyti“ iki „veikti“: Naujos kartos dronai pereina nuo paprasto stebėjimo. Rinkoje jau yra „matyk ir puršk“ dronai, galintys identifikuoti piktžolę su integruota kamera ir akimirksniu pritaikyti mikrodozę herbicido – viskas vienu praskridimu.
• Visiška autonomija: Galutinė vizija – visiškai autonomiška sistema. Dronai gyvens „dronas dėžėje“ tipo angare lauke, patys kils pagal grafiką ar oro sąlygų signalus, atliks savo misiją, grįš įsikrauti ir automatiškai įkels bei apdoros savo duomenis be jokio žmogaus įsikišimo.

Išvada: kuriant protingesnę ateitį

Stebėjimo iš oro dronai nebėra futuristinė naujovė; jie yra patikrintas, praktiškas ir galingas įrankis pasauliniame žemės ūkio priemonių rinkinyje. Jie suteikia ūkininkams neprilygstamą įžvalgų lygį, leidžiantį pereiti nuo reaktyvaus problemų sprendimo prie proaktyvaus, duomenimis pagrįsto valdymo. Suteikdama ūkininkams galimybę optimizuoti sąnaudas, didinti derlių ir mažinti poveikį aplinkai, ši technologija atlieka lemiamą vaidmenį sprendžiant dvejopus pasaulinio maisto saugumo ir aplinkos tvarumo iššūkius.

Vaizdas iš viršaus keičia tai, kaip mes dirbame žemę apačioje. Technologijai tampant prieinamesnei, protingesnei ir labiau integruotai, ji ir toliau bus pagrindinė išmaniojo ūkininkavimo revoliucijos varomoji jėga, padedanti kurti produktyvesnę, pelningesnę ir atsparesnę žemės ūkio ateitį visame pasaulyje.