Введение
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), также известные как дроны, становятся все более популярными инструментами в различных отраслях, включая агроинженерию. Благодаря своей способности быстро и эффективно собирать данные с больших площадей, БЛА могут быть использованы для мониторинга различных параметров, таких как здоровье растений, состояние почвы, уровень воды и т.д. Беспилотные летательные аппараты (БЛА), также известные как дроны, становятся все более распространенными в различных отраслях, включая сельское хозяйство. Непрерывный мониторинг с помощью БЛА может предоставить фермерам ценную информацию о состоянии своих посевов, что позволяет им принимать более обоснованные решения по оптимизации управления ресурсами и повышению урожайности.
Методология
Актуальность темы заключается растущей потребности в повышении производительности сельского хозяйства, население мира продолжает расти, а вместе с ним и спрос на продовольствие. Сельское хозяйство должно стать более продуктивным, чтобы удовлетворить этот спрос, и БЛА могут сыграть в этом ключевую роль. Точное земледелие - это подход к управлению сельским хозяйством, основанный на сборе и анализе данных о полях. БЛА могут помочь фермерам собирать данные о своих полях более эффективно и точно, чем это возможно с помощью традиционных методов. Сельское хозяйство может наносить вред окружающей среде, если им не управлять должным образом. БЛА могут помочь фермерам более устойчиво управлять своими хозяйствами, отслеживая использование воды, удобрений и пестицидов.
Результаты
Проблематика темы исследования заключается в стоимости БЛА, они могут быть дорогостоящими, особенно для небольших фермерских хозяйств. Управление БЛА и анализ данных, которые они собирают, может быть сложной задачей. Сбор данных с помощью БЛА может вызывать проблемы, связанные с конфиденциальностью, если данные не будут должным образом защищены, БЛА уязвимы к кибератакам, что может привести к потере данных или даже к угону БЛА. Организация непрерывного мониторинга БЛА в агроинженерии является актуальной и перспективной темой, которая имеет потенциал для значительного улучшения сельскохозяйственного производства. Данные, полученные с помощью БЛА, могут быть использованы для оптимизации сельскохозяйственных операций, повышения урожайности и снижения затрат. К возможностям, открывавшимся в результате применения БПЛА в аграрном секторе страны, особенно в условиях развития технологии точного земледелия можно отнести: создание электронных карт полей, инвентаризация и детализация сельскохозяйственных угодий, контроль объемов и качества выполнения сельскохозяйственных работ, оперативный мониторинг состояния посевов, оценка всхожести и прогноз урожайности сельскохозяйственных культур, перспектива опыления посевов, внесения удобрений, экологический мониторинг, пожарная безопасность, контроль качества выполнения агротехнических мероприятий, сравнение разных сортов, агротехники или сроков посадки.
Результаты
Подобные аппараты являются современным информационно-управляющим средством с широкими функциональными возможностями для предприятий аграрного сектора. Применение БПЛА для наблюдения за сельскохозяйственными угодьями позволит оптимизировать информационные составляющие, касающиеся посевных площадей. На основе накопленной информации строится оптимальная стратегия управления производственными процессами полеводства. Для аграрной аэрофотосъемки предложено применение беспилотного летательного аппарата вертолетного типа. Новатором в сфере применения специализированной гражданской беспилотной летательной техники в целях сельскохозяйственного назначения является Япония [1]. Применение беспилотных летательных аппаратов для нужд аграрного сектора приобрело широкий мировой опыт. В настоящее время за рубежом, особенно в странах с развитым аграрным сектором, активно реализуется технология мониторинга через использование агродронов. Механизированное управление без применения беспилотных средств в наше время приводит к неэффективному использованию природных ресурсов и сельскохозяйственной продукции, что в то же время приводит к низкой рентабельности и ухудшению состояния окружающей среды. Этот способ сельскохозяйственного производства, известный как точное земледелие, развивается в разных странах с 80-х годов, и за последние годы он значительно продвинулся вперед. Для точного земледелия требуются, в частности, географические информационные системы (ГИС), дистанционные датчики, цифровые карты, базы данных, системы глобального позиционирования (GPS), робототехника и многое другое. К последним относятся наземные и воздушные роботы, способные выполнять такие операции, как посадка, уход за растениями (борьба с вредителями, сорняками, болезнями), опрыскивание фитосанитарными средствами, сбор урожая, дистанционное зондирование и другие.
Обсуждение
В литературе представлены различные разработки беспилотных летательных аппаратов для применения в точном земледелии. Одним из таких применений является мониторинг урожая с помощью мультиспектральных изображений высокого разрешения. Таким образом, можно получить различные показатели растительности, которые позволяют определить местонахождение сорняков, вредителей, болезней, питательных веществ, нехватку воды и многое другое. Обладая этой информацией, можно на месте принимать меры по контролю, применяя, например, агрохимикаты на определенном участке и в достаточном количестве, что приводит к экономии в сельском хозяйстве, снижению воздействия на окружающую среду и повышению рентабельности. Эти интеллектуальные системы опрыскивания могут дополняться системами компьютерного зрения и методами искусственного интеллекта, которые гарантируют эффективное распознавание сорняков или болезней сельскохозяйственных культур. В отличие от ручного мониторинга на месте, дистанционное зондирование позволяет проводить неинвазивный, быстрый и эффективный мониторинг сельскохозяйственных культур. Это стало возможным благодаря значительным достижениям в области беспилотных летательных аппаратов, различных типов датчиков, систем геопривязки и алгоритмов обработки изображений. Дистанционное зондирование с использованием беспилотных летательных аппаратов, в отличие от спутникового зондирования, позволяет получать изображения с более высоким пространственным и временным разрешением при низких затратах и с меньшими помехами от атмосферных условий [2]. Мониторинг сельскохозяйственных культур с помощью дистанционного зондирования преследует различные цели. Одна из них используется в точном земледелии для определения сорняков, вредителей, болезней, питательных веществ, дефицита влаги и других целей. Другой целью является фенотипирование сельскохозяйственных культур, при котором отбираются семена с наилучшими фенотипическими характеристиками, такими как высота и продуктивность биомассы.
Обсуждение
В литературе есть данные, что с помощью дистанционного зондирования лучше всего отслеживаются зерновые культуры, такие как пшеница, кукуруза и ячмень. Мониторинг урожая для точного земледелия Точное земледелие - это набор методов, с помощью которых, отслеживая временные и пространственные изменения урожая, можно быстро провести обработку на определенном участке. Точное земледелие включает в себя следующие этапы: сбор данных, картирование изменчивости, принятие решений и применение методов управления. [3]. Дистанционное зондирование изменчивости важно на первых трех этапах и дополняется другими технологиями, такими как географические информационные системы (ГИС) и оборудование для надлежащей обработки. В качестве применений этого типа, среди прочего, используется борьба с сорняками, вредителями, болезнями, внесение питательных веществ, увлажнение Борьба с сорняками с помощью методов точного земледелия изначально требует выявления локализованных участков с сорняками, чтобы затем принять меры по борьбе с ними путем опрыскивания или механического удаления. Это можно сделать в режиме реального времени с помощью получения изображений с географической привязкой, системы распознавания сорняков и системы для борьбы с ними. Такие методы борьбы с сорняками повышают рентабельность и снижают воздействие на окружающую среду, поскольку в отличие от традиционных методов обработки, при которых гербициды равномерно распределяются, в точном земледелии агрохимическое опрыскивание проводится на определенном участке, что позволяет оптимизировать количество необходимых агрохимикатов. Борьба с сорняками является приоритетной задачей при выращивании ранних культур. Для распознавания сорняков на этом этапе требуется высокое пространственное разрешение (менее 5 см на пиксель), поскольку отражательная способность растений и сорняков на этом этапе очень схожи. Для этого необходимо провести топографическую съемку на большой высоте (менее 100 м), которая позволяет различать каждое растение с высоким разрешением. Это сопряжено с определенными трудностями, поскольку чем меньше высота полета, тем больше требуется изображений, а также тем выше автономность БПЛА. Для решения этой задачи могут быть использованы методы компьютерного зрения и машинного обучения [4]. Локальное и своевременное обнаружение вредителей и болезней сельскохозяйственных культур позволяет принимать корректирующие и профилактические решения и эффективно их применять. Так, например, часто контролируемым параметром является содержание биомассы, поскольку оно тесно связано с производством сельскохозяйственной продукции. Таким образом, раннее выявление проблем с урожаем, таких как дефицит питательных веществ, позволяет своевременно принимать меры, не дожидаясь сбора урожая, для выявления зон низкой продуктивности.
Выводы
С другой стороны, в случае обнаружения зон с достаточным содержанием питательных веществ (например, азота) это позволяет избежать чрезмерного внесения удобрений в урожай, экономя затраты на сельское хозяйство. Выявление болезней может осуществляться с помощью вегетационных индексов, поскольку некоторые болезни вызывают изменения в отражательной способности. С вредителями, болезнями и дефицитом питательных веществ можно бороться с помощью агрохимического опрыскивания, включая пестициды, фунгициды, удобрения и т.д. Использование беспилотника для опрыскивания идеально подходит для небольших участков или труднодоступных районов. Например, используется технология фумигации с помощью беспилотного летательного аппарата, а также наземная сенсорная сеть. В качестве стратегии управления они обеспечивают адаптацию маршрута для машины, распыляющей агрохимикаты, в зависимости от скорости и интенсивности ветра. Для этого у них есть беспроводные датчики, расположенные на земле, которые передают данные о количестве агрохимикатов, которые они получают. Состояние урожая оценивается не только с помощью выявления вредителей и болезней, но и с помощью оценки других параметров, таких как плотность растений, содержание биомассы, высота урожая, площадь полога, содержание азота, содержание твердой глины, уровень гидратационного стресса урожая [5]. Роли и функции БПЛА в сельскохозяйственных операциях показаны на рисунке 1. Рисунок 1 - Роли и функции БПЛА в сельскохозяйственных операциях Таким образом, БПЛА могут использоваться для: Мониторинг урожаев - БПЛА могут определять уровень влажности, обнаруживать заболевания, вредителей, а также оценивать уровень урожайности. Опрыскивание - БПЛА могут точно наносить химикаты или удобрения на определенные участки полей, минимизируя потери и повышая эффективность процесса. Картирование и планирование - БПЛА могут создавать детальные карты полей, анализировать их и помогать сельскохозяйственным предприятиям в планировании посевных работ, управлении ресурсами и оптимизации производства. Мониторинг погоды - БПЛА могут собирать данные о температуре, влажности, скорости ветра и осадках, участвую в прогнозировании и планировании сельскохозяйственных операций. Инспекция и обследование - БПЛА могут использоваться для инспекции и обследования сельскохозяйственных участков, включая заборы, ограждения, системы орошения и другие элементы инфраструктуры. Система непрерывного мониторинга БЛА состоит из следующих компонентов: Беспилотный летательный аппарат (БЛА) должен быть оснащен различными датчиками для сбора данных о состоянии окружающей среды. Датчики могут включать в себя камеры, спектральные датчики, датчики влажности, температуры и т.д. Программное обеспечение должно обеспечивать сбор данных с датчиков, обработку данных, визуализацию и анализ данных. Платформа должна предоставлять пользователям удобный интерфейс для просмотра и анализа данных. Рисунок 2 - Структура МКП (БЛА) Структура матрицы контактных площадок БЛА включает в себя группу беспилотных летательных аппаратов, зарядную станцию 3, станцию управления 2 и соответствующее программное обеспечение такой системы. Станция управления вырабатывает команды для беспилотных летательных аппаратов и зарядного терминала, собирает телеметрическую информацию и отслеживает траектории полетов. На рисунке, кроме того, представлены объект мониторинга 1, источник энергии 4, зарядный терминал 5, заряжающийся мультикоптер 6, мультикоптер, находящийся на задании 7. Важной и достаточно сложной частью системы является зарядный терминал, поскольку он должен обеспечивать автоматическую подзарядку приземляющихся на него мультикоптеров. Наиболее приемлемым представляется двухконтактный зарядный терминал по причине наиболее высокого коэффициента полезного действия (КПД) и простоты конструкции. Использование матрицы контактных площадок (МКП), предполагает, что нет необходимости точной посадки мультикоптера, достаточно того, что мультикоптер просто приземлится на зарядную станцию, коснувшись двумя посадочными электродами, подключенными к полюсам бортового аккумулятора, некоторых отдельных контактов МКП, которые автоматически определят, напряжение какой полярности необходимо подавать. Рисунок 3- Активные контакты при посадке мультикоптера на зарядный терминал На рисунке 4 представлена схема «умного контакта». Рисунок 4 - Схема «умного контакта» Система работает следующим образом: БЛА вылетает на заданную траекторию. Датчики на БЛА собирают данные о состоянии окружающей среды. Собранные данные передаются на землю по беспроводной связи. Программное обеспечение обрабатывает данные и сохраняет их в базе данных. Пользователи могут просматривать и анализировать данные на платформе визуализации и анализа данных. Компоновка и схема работы БПЛА показана на рисунке 5. Рисунок 5 - Устройство регулятора оборотов ротора БЛА БЛА могут быстро и эффективно собирать данные с больших площадей, что позволяет фермерам принимать более обоснованные решения, БЛА могут выполнять задачи, которые были бы слишком дорогими или опасными для людей, они могут помочь фермерам выявить проблемы на ранней стадии, что позволяет им принимать меры по их устранению и улучшению качества продукции. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) имеют ограниченное время полета из-за ограниченной емкости батареи. Время автономной работы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) ограничено емкостью их аккумуляторов. Это может быть серьезной проблемой для многих применений, где требуется длительный полет. Существует несколько основных проблем, связанных с зарядкой БПЛА: Зарядка аккумуляторов БПЛА может занимать много времени, что ограничивает время, которое они могут проводить в воздухе. Для зарядки БПЛА обычно требуется наземная инфраструктура, такая как зарядные станции. Это может быть дорогостоящим и непрактичным, особенно в удаленных местах. БПЛА должны быть возвращены на зарядную станцию, когда их аккумуляторы разряжаются. Это ограничивает их мобильность и может сделать их непригодными для некоторых применений. Зарядка БПЛА может быть опасной, если не соблюдать надлежащие меры предосторожности. Например, аккумуляторы БПЛА могут быть пожароопасными. Существует несколько различных подходов к решению проблемы зарядки БПЛА: Самый простой способ зарядить БПЛА - это заменить разряженный аккумулятор заряженным. Однако это может быть трудоемко и отнимать много времени, особенно для БПЛА с несколькими аккумуляторами. Технологии быстрой зарядки могут сократить время зарядки аккумуляторов БПЛА. Однако это может привести к перегреву и другим проблемам. Беспроводная зарядка может быть удобным способом зарядки БПЛА без необходимости их подключения. Однако беспроводные зарядные устройства обычно менее эффективны, чем проводные, и для их работы требуется специальная инфраструктура. БПЛА могут быть заряжены во время полета с помощью лазеров или радиоволн. Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор наилучшего решения для зарядки БПЛА будет зависеть от конкретного применения. Таблица 1 представляет собой общий обзор некоторых из основных факторов, которые следует учитывать при организации непрерывного мониторинга БЛА в агроинженерии. Таблица 1- Организация непрерывного мониторинга БЛА в агроинженерии Фактор Преимущества Недостатки Стоимость Относительно низкая Может быть высокой для небольших фермерских хозяйств Сложность Относительно простая Может быть сложной для начинающих пользователей Точность Высокая Может быть низкой при неблагоприятных погодных условиях Площадь покрытия Большая Может быть ограничена емкостью аккумулятора БПЛА Частота мониторинга Может быть высокой Может быть ограничена емкостью аккумулятора БПЛА и стоимостью Тип данных Широкий спектр данных, включая изображения, видео и спектральные данные Может быть ограничен типом датчиков, установленных на БПЛА Анализ данных Может быть автоматизированным Может требовать специализированных знаний Конфиденциальность Может быть проблемой, если данные не будут должным образом защищены Кибербезопасность Может быть проблемой, если БПЛА не будут должным образом защищены Важно отметить, что технологии БЛА постоянно развиваются. Появляются новые датчики, программное обеспечение и другие технологии, которые могут улучшить возможности мониторинга БЛА. БЛА могут помочь фермерам более эффективно использовать ресурсы, такие как вода и удобрения, что использование БЛА в агроинженерии может иметь значительные преимущества для фермеров, позволяя им повысить эффективность, снизить затраты, улучшить качество продукции и сохранить окружающую среду. Система непрерывного мониторинга БЛА является мощным инструментом, который может помочь фермерам принимать более обоснованные решения и повысить рентабельность своих хозяйств. Сохранение окружающей среды, потому что БПЛА могут помочь фермерам более эффективно использовать ресурсы, такие как вода и удобрения, что БПЛА могут использоваться для выявления признаков стресса у растений, вызванного болезнями, вредителями или дефицитом питательных веществ. БПЛА могут использоваться для измерения влажности почвы, содержания питательных веществ и pH. БЛА могут использоваться для определения уровня воды в каналах, водохранилищах и рисовых полях. БПЛА могут использоваться для создания карт полей, которые могут быть использованы для планирования сельскохозяйственных работ. БПЛА могут использоваться для опыления фруктовых деревьев и других культур. В качестве примера можно привести RIEGL VUX-1 – это современный компактный лазерный сканер, который можно применять для подсчета сельскохозяйственных угодий и полей с целью определения их площадей с точностью до метра. Сканер удовлетворяет требованиям стремительно развивающейся съемки при помощи беспилотных систем (БПЛА), легких самолетов, автожиров. Используется для проведения измерительных работ. Результаты исследований. Воздушный лазерный сканер позволяет определять площадь сельскохозяйственных угодий и полей с точностью до метра. Он исправно функционирует, находясь в любом положении, обладает высокой надежностью, записывает данные на внутреннюю память на 240 Гб. RIEGL VUX-1 работает по принципу оцифровки отраженного сигнала, а также волнового анализа. Осуществляет сканирование с очень большой скоростью, применяя узкий инфракрасный лазерный луч, а также механизмы сканирования линий. Сканер можно применять даже в плохих погодных условиях, при наличии множества целей и сразу нескольких отражений. В составе комплекса в качестве наземной станции управления (НСУ) используется персональный компьютер ноутбук. Таким образом, использование БПЛА в агроинженерии может иметь значительные преимущества для фермеров, позволяя им повысить эффективность, снизить затраты, улучшить качество продукции и сохранить окружающую среду.