Сверхлегкая авиация и беспилотные воздушные суда для защиты растений

       Более ста лет назад, летом 1922 года, с Ходынского столичного аэродрома поднялся в воздух самолет с оборудованием для проведения авиахимработ методом опрыскивания против вредителей и болезней. Успешные испытательные полеты положили начало развитию сельскохозяйственной авиации.

Сегодня использование различных авиационных средств для защиты растений имеет важное народнохозяйственное значение, так как обеспечивает возможность проведения:

— масштабного дистанционного мониторинга сельскохозяйственных посевов;

— защитных мероприятий в сжатые агросроки и в труднодоступных местах против особо опасных вредителей (саранчовые, луговой мотылек, мышевидные грызуны, колорадский жук, вредная черепашка) и болезней (бурая ржавчина, фитофтороз, альтернариоз);

— обработок при сильном увлажнении почвы, когда наземная техника не может въехать в поле, особенно при борьбе с сорной растительностью;

— обработок высокостебельных культур (кукуруза, подсолнечник) и посевов семенных культур;

— обработок рисовых чеков;

— десикации;

— обработок посевов на склонах с уклоном больше 7 градусов, где не может работать наземная опрыскивающая техника.

В Советском Союзе основу парка сельскохозяйственной авиации составляли АН-2. В настоящее время развитие сельскохозяйственной авиации идет по пути значительного расширения использования сверхлегких летательных аппаратов (СЛА) и беспилотных воздушных судов (БВС), которые значительно дешевле большегрузных самолетов. В соответствии с Федеральными авиационными правилами и Воздушным кодексом РФ сверхлегким называется аппарат (воздушное судно), имеющий:

— максимальную взлетную массу не более 495 кг (без учета авиационных средств спасения);

— максимальную калибровочную скорость сваливания (минимальную скорость полета) не более 65 км/ч.

К беспилотным воздушным судам (БВС) относятся аппараты, полетами которых управляют пилоты, находящиеся вне борта (внешние пилоты).

Особенности правого режима применения БВС определяются его максимальной взлетной массой:

— до 250 г – не подлежат государственной регистрации или учету;

— от 250 г до 30 кг – подлежат обязательному государственному учету;

— от 30 кг и более – подлежат государственной регистрации.

Важными преимуществами применения БВС и СЛА являются:

— отсутствие потерь от повреждений посевов колесами или необходимости использования технологической колеи (в сравнении с наземной техникой);

— высокая эффективность при снижении эксплуатационных затрат (в сравнении с большегрузными самолетами, так как для данных авиационных средств не надо иметь оборудованные аэродромы).

    Использование беспилотных воздушных судов помогает в решении следующих задач:

— получение детализированной информации по созданию картографической основы сельскохозяйственных угодий и размещения сельскохозяйственных объектов с точными их координатами для планирования и контроля технологических процессов сельскохозяйственного производства;

— проведение дистанционного мониторинга на основе мультиспектральной съемки подстилающей поверхности сельскохозяйственных угодий для определения состояния и развития посевов, прогнозирования урожайности на основе вычисления по результатам спектральной съемки индекса вегетации и т.п.;

— оперативный контроль в реальном времени за работой наземной техники и качеством выполнения агротехнических работ;

— геокодированный фитосанитарный мониторинг сельскохозяйственных угодий по определению уровня засоренности посевов, наличия вредителей и проявлений болезней на ранней стадии развития, в том числе и в латентной форме;

Применение БВС для аэрофотосъемки сельскохозяйственных угодий обеспечивает, по сравнению с космическими снимками, получение изображений с более высоким разрешением (до одного сантиметра на точку) и самое главное, дает возможность производить эти работы при наличии плотной облачности (съемка при помощи космических аппаратов в такие периоды невозможна).

Остановимся подробнее на фитосанитарном мониторинге посевов. В последнее время объемы применения средств защиты растений в России устойчиво растут: по статистике, каждые пять лет, начиная с 2010 года, они удваивались и в 2020 году достигли показателя в 221 тыс. тонн. С ростом объемов применения средств защиты растений хозяйствам необходимо обеспечить оперативный сбор и обработку информации по фитосанитарному состоянию сельскохозяйственных полей. Без этих сведений невозможно решение задач по технологическому обеспечению рационального и безопасного применения СЗР в сжатые агросроки. Существующие методы наземного маршрутного обследования полей не позволяют получать необходимые сведения быстро и в должных объемах. В связи с этим за рубежом и в нашей стране активно ведутся работы по разработке высокопроизводительных дистанционных методов съема информации для планирования и проведения мероприятий по защите растений. Для оперативного дистанционного фитосанитарного мониторинга наиболее широкое применение находят беспилотные воздушные суда, обеспечивающие получение геокодированного видео, мультиспектральных и гиперспектральных снимков подстилающей поверхности Земли.

     Следует отметить, что вопросы по использованию дистанционных методов съема информации в области борьбы с сорными растениями (определение расположения сорняков на участках поля, оценка потерь урожая, картирование зон вредоносности) частично уже решены. По данному направлению в рамках соглашения о научно-техническом сотрудничестве проводились исследования с участием специалистов ВИЗР, Университета аэрокосмического приборостроения (г. Санкт-Петербург), Самарской аграрной академии и ООО «Птеро» (г. Москва). Получены положительные результаты использования БВС для дистанционных методов съема информации на основе спектрометрии по оценке засоренности посевов зерновых культур и посадок картофеля более чем по 20 видам сорняков, в том числе по такому вредоносному как борщевик Сосновского. Данные получены на основе определения и анализа спектральных характеристик отражения от культурных растений и сорной растительности в диапазоне длин волн 300-1100 нм.

Таким образом, в ходе проведенных исследований по выявлению определяющих признаков на основе спектральной яркости отражения от культурных и сорных растений установлены наиболее информативные спектральные поддиапазоны длин волн электромагнитного излучения для использования мультиспектральной съемки подстилающей поверхности сельскохозяйственных угодий с помощью современных систем ДЗЗ. Анализ спектральных образов сорных и культурных растений показывает, что характерные отличия полученных кривых спектральной яркости в поддиапазонах синего, зеленого, красного и ближнего инфракрасного электромагнитного излучения мы наблюдаем в ближнем инфракрасном поддиапазоне длин волн.

Более сложной задачей для широкого применения методов дистанционного зондирования сельскохозяйственных угодий является определение информативных признаков болезней растений и прежде всего, в латентной форме. Это вызвано тем, что многие информативные признаки болезней по спектральной яркости схожи с признаками неинфекционной патологии исследуемых растений.

Получены положительные результаты по определению болезней картофеля и повреждения растений картофеля колорадским жуком с помощью спектрорадиометрии. При использовании данного метода было установлено, что при поражении посадок картофеля фитофторозом (рис.1) на третий день после заражения мы наблюдаем резкое снижение спектральной яркости отражения в сравнении со здоровыми растениями, а на седьмые сутки после заражения значения спектральной яркости показывают, что растения практически погибли. В этом случае величина спектральной яркости у растений, пораженных фитофторозом, близка к значениям спектральной яркости отражения от почвы.

При повреждении картофеля колорадским жуком мы также наблюдаем снижение значений спектральной яркости отражения в два-три раза по сравнению с растениями без повреждения вредителем.  На рис.2 представлены данные по спектральной яркости отражения растений картофеля с учетом разной степени их повреждения. Полученные данные имеют большое значение для дистанционного метода выявления очагов поражения растений картофеля колорадским жуком.           

В настоящее время, на основе проведенных исследований по определению информативных признаков на основе спектральной яркости отражения от здоровых и больных растений картофеля, а также поврежденных колорадским жуком, установлены наиболее информативные спектральные поддиапазоны длин волн электромагнитного излучения для использования мультиспектральной съемки подстилающей поверхности  сельскохозяйственных угодий с помощью  БВС и СЛА.

При определении болезней необходимо учитывать результаты исследований  Агрофизического института, которые позволили определить спектральные характеристики отражения растений, испытывающих дефицит азота и почвенной влаги.

      Полученные результаты важны для выявления информативных признаков, позволяющих четко разделять при дешифрации фитосанитарного состояния сельскохозяйственных угодий растения, пораженные болезнями, и имеющие патологии, вызванные дефицитом минерального питания или почвенной влаги.

Формирование библиотек спектральных образов болезней различных  сельскохозяйственных культур, а также спектральных образов данных культур, испытывающих дефицит минерального питания или почвенной влаги, позволит по результатам дистанционного съема информации принимать обоснованные и оперативные  решения по стабилизации фитосанитарной обстановки при наличии болезней или проводить комплекс агротехнических мероприятий для снятия стрессовых ситуаций  на посевах, вызванных другими факторами.

Следующим важным направлением использования БВС является их применение для мероприятий по защите растений. Впервые БВС в виде беспилотных телеуправляемых вертолетов стали применять в Японии в начале 90-х годов для обработки пестицидами рисовых чеков. В настоящее время в Китае, являющемся лидером по производству сельскохозяйственных дронов, площади обработки с помощью БВС уже превышают несколько миллионов гектаров. Рынок БВС динамично развивается и во всем мире, объем применения данных летательных аппаратов ежегодно увеличивается на 400-500%.  По прогнозам экспертов, использования технологий применения БВС в сельском хозяйстве в мире достигнет рыночной стоимости в 5,7 млрд долларов.

Из сельскохозяйственных дронов на рынке доминируют машины китайской компании DJI, а самой распространенной моделью является DJI Agras T16.

Благодаря тому, что большая часть деталей БВС этой модели сделана из композитных материалов, масса аппарата не превышает 18,5 кг (без аккумуляторной батареи). С оборудованием для защиты растений при заправке резервуара рабочей жидкостью взлетная масса машины достигает 41 кг. Емкость резервуара для рабочей жидкости составляет 16 литров при оснащении штанги восемью распылителями. Преимуществом данной модели дрона является оснащенность радарами, благодаря чему резко сокращаются риски столкновения с препятствиями, а также обеспечивается возможность работы ночью, с использованием прожекторов. Оптимальная высота полета дрона над полем составляет 2,5-3 метра, а при необходимости аппарат может подняться на 30 метров (максимальная высота горизонтального полета). Такая высота необходима для обработки многолетних насаждений, растений в ботанических садах и лесных массивах от вредителей и болезней.

В Российской Федерации получены положительные результаты по использованию БВС для борьбы с мышевидными грызунами (исследования проводились при участии ВИЗР и фирмы «Гинус»). Производственные испытания дистанционного мониторинга и геокодированного внесения родентицидов в норы мышевидных грызунов показали, что точность новой технологии в сравнении с ручным внесением составляет 91% против 97%.

Накоплен практический опыт по использованию БВС для дистанционного мониторинга ареалов распространения борщевика Сосновского, а также применения технологии опрыскивания гербицидами против данного вредоносного вида.

 Несмотря на положительные результаты и перспективность использования БВС в сельском хозяйстве, имеются недостатки, а также нерешенные вопросы в области законодательства и регламентирующих нормативных документов по их эффективному и безопасному использованию для дистанционного мониторинга и защиты растений, а именно:

• высокая стоимость БВС при рисках потери аппарата во время выполнения работ;
• законодательные ограничения по использованию: в большинстве стран мира БВС во время выполнения работ должен находиться в пределах прямой видимости оператора (удаленность не более 500 метров);
• необходимость постановки на учет, регистрации аппарата (в большинстве стран, если его масса превышает 25 кг) и получения лицензии на использование БВС в коммерческих целях;
• потребность в дополнительном дорогостоящем оборудовании и квалифицированном персонале: для бесперебойной и оперативной работы БВС необходимо иметь не менее трех дополнительных аккумуляторов, генератор для их зарядки; обслуживанием одной машины занимается не менее трех человек;
• большая зависимость от метеорологических условий. В ветреную погоду управление аппаратом весьма затруднено, особенно при сильном боковом ветре;
• отсутствие узаконенных регламентов применения средств защиты растений с помощью БВС в соответствии с требованиями ФЗ №109 «О безопасном обращении с пестицидами и агрохимикатами»;
• отсутствие нормативных документов по безопасной эксплуатации БВС в сельском хозяйстве;
• отсутствие нормативов страховых рисков для юридических и физических лиц при применении средств защиты растений с помощью БВС;
• высокая цена и недостаток программных продуктов для решения задач дистанционного фитосанитарного мониторинга сорной растительности, вредителей и болезней с учетом экономических порогов вредоносности, а также автоматической дешифрации их результатов.

Назрела острая необходимость в создании региональных центров по обучению операторов и производственной апробации технологических регламентов применения БВС для мониторинга и защиты растений.

 В рамках программ по цифровизации сельского хозяйства необходимо ускорить разработку больших баз данных эталонных образцов сорных растений в наиболее уязвимой фазе развития для применения гербицидов и эталонных образцов с характерными информативными признаками повреждений вредителями основных сельскохозяйственных культур. Не менее важно завершить формирование библиотек спектральных образов здоровых и больных растений с учетом влияния уровня минерального питания и агроклиматических параметров.

Анатолий Лысов, заведующий лабораторией интегрированной защиты растений ФГБНУ ВИЗР, e-mail: lysov4949@yandex.ru