Понад сто років тому, влітку 1922 року, з Ходинського столичного аеродрому піднявся повітря літак з устаткуванням проведення авіахімробіт методом обприскування проти шкідників і хвороб. Успішні випробувальні польоти започаткували розвиток сільськогосподарської авіації.
Сьогодні використання різних авіаційних засобів для захисту рослин має важливе народногосподарське значення, оскільки забезпечує можливість проведення:
- масштабного дистанційного моніторингу сільськогосподарських посівів;
- захисних заходів у стислі агростроки та у важкодоступних місцях проти особливо небезпечних шкідників (саранчові, луговий метелик, мишоподібні гризуни, колорадський жук, шкідлива черепашка) та хвороб (бура іржа, фітофтороз, альтернаріоз);
- обробок при сильному зволоженні ґрунту, коли наземна техніка не може в'їхати в поле, особливо при боротьбі з бур'яном;
- Обробок високостеблових культур (кукурудза, соняшник) і посівів насіннєвих культур;
- Обробок рисових чеків;
- десикації;
- Обробок посівів на схилах з ухилом більше 7 градусів, де не може працювати наземна обприскує техніка.
У Радянському Союзі основу парку сільськогосподарської авіації складали Ан-2. В даний час розвиток сільськогосподарської авіації йде шляхом значного розширення використання надлегких літальних апаратів (СЛА) і безпілотних повітряних суден (БВС), які значно дешевші за великовантажні літаки. Відповідно до Федеральних авіаційних правил і Повітряного кодексу РФ надлегким називається апарат (повітряне судно), що має:
- максимальну злітну масу не більше 495 кг (без урахування авіаційних засобів порятунку);
- максимальну калібрувальну швидкість звалювання (мінімальну швидкість польоту) не більше 65 км/год.
До безпілотних повітряних суден (БВС) відносяться апарати, польотами яких управляють пілоти, що знаходяться поза бортом (зовнішні пілоти).
Особливості правого режиму застосування БВС визначаються його максимальною злітною масою:
— до 250 г – не підлягають державній реєстрації чи обліку;
- Від 250 г до 30 кг - підлягають обов'язковому державному обліку;
— від 30 кг та більше – підлягають державній реєстрації.
Важливими перевагами застосування БВС та СЛА є:
- Відсутність втрат від пошкоджень посівів колесами або необхідності використання технологічної колії (порівняно з наземною технікою);
- Висока ефективність при зниженні експлуатаційних витрат (порівняно з великовантажними літаками, так як для даних авіаційних засобів не треба мати обладнані аеродроми).
Використання безпілотних повітряних суден допомагає у вирішенні наступних завдань:
— отримання деталізованої інформації щодо створення картографічної основи сільськогосподарських угідь та розміщення сільськогосподарських об'єктів з точними їх координатами для планування та контролю технологічних процесів сільськогосподарського виробництва;
— проведення дистанційного моніторингу на основі мультиспектральної зйомки поверхні сільськогосподарських угідь, що підстилає, для визначення стану та розвитку посівів, прогнозування врожайності на основі обчислення за результатами спектральної зйомки індексу вегетації тощо;
- оперативний контроль у реальному часі за роботою наземної техніки та якістю виконання агротехнічних робіт;
— геокодований фітосанітарний моніторинг сільськогосподарських угідь щодо визначення рівня засміченості посівів, наявності шкідників та проявів хвороб на ранній стадії розвитку, у тому числі й у латентній формі;
Застосування БВС для аерофотозйомки сільськогосподарських угідь забезпечує, порівняно з космічними знімками, отримання зображень з вищою роздільною здатністю (до одного сантиметра на крапку) і найголовніше, дає можливість виконувати ці роботи за наявності щільної хмарності (зйомка за допомогою космічних апаратів у такі періоди неможлива ).
Зупинимося докладніше на фітосанітарному моніторингу посівів. Останнім часом обсяги застосування засобів захисту рослин у Росії стійко зростають: за статистикою, кожні п'ять років, починаючи з 2010 року, вони подвоювалися і в 2020 році досягли показника 221 тис. тонн. Зі зростанням обсягів застосування засобів захисту рослин господарствам необхідно забезпечити оперативний збір та обробку інформації щодо фітосанітарного стану сільськогосподарських полів. Без цих відомостей неможливе вирішення завдань щодо технологічного забезпечення раціонального та безпечного застосування ЗЗР у стислі агростроки. Існуючі методи наземного маршрутного обстеження полів не дозволяють отримувати необхідні відомості швидко та в належних обсягах. У зв'язку з цим за кордоном та в нашій країні активно ведуться роботи з розробки високопродуктивних дистанційних методів знімання інформації для планування та проведення заходів щодо захисту рослин. Для оперативного дистанційного фітосанітарного моніторингу найбільш широке застосування знаходять безпілотні повітряні судна, що забезпечують отримання геокодованого відео, мультиспектральних та гіперспектральних знімків поверхні Землі, що підстилає.
Слід зазначити, що питання щодо використання дистанційних методів знімання інформації в галузі боротьби з бур'янами (визначення розташування бур'янів на ділянках поля, оцінка втрат урожаю, картування зон шкідливості) частково вже вирішено. За цим напрямом у рамках угоди про науково-технічне співробітництво проводилися дослідження за участю фахівців ВІЗР, Університету аерокосмічного приладобудування (м. Санкт-Петербург), Самарської аграрної академії та ТОВ «Птеро» (м. Москва). Отримано позитивні результати використання БВС для дистанційних методів знімання інформації на основі спектрометрії з оцінки засміченості посівів зернових культур та посадок картоплі більш ніж за 20 видами бур'янів, у тому числі за таким шкідливим як борщівник Сосновського. Дані отримані на основі визначення та аналізу спектральних характеристик відбиття від культурних рослин та бур'янів у діапазоні довжин хвиль 300-1100 нм.
Таким чином, в ході проведених досліджень з виявлення визначальних ознак на основі спектральної яскравості відображення від культурних і бур'янів встановлено найбільш інформативні спектральні піддіапазони довжин хвиль електромагнітного випромінювання для використання мультиспектральної зйомки поверхні сільськогосподарських угідь, що підстилає, за допомогою сучасних систем ДЗЗ. Аналіз спектральних образів бур'янів і культурних рослин показує, що характерні відмінності отриманих кривих спектральної яскравості в піддіапазонах синього, зеленого, червоного та інфрачервоного ближнього електромагнітного випромінювання ми спостерігаємо в ближньому інфрачервоному піддіапазоні довжин хвиль.
Більш складним завданням для широкого застосування методів дистанційного зондування сільськогосподарських угідь є визначення інформативних ознак хвороб рослин і насамперед у латентній формі. Це викликано тим, що багато інформативних ознак хвороб спектральної яскравості схожі з ознаками неінфекційної патології досліджуваних рослин.
Отримано позитивні результати щодо визначення хвороб картоплі та пошкодження рослин картоплі колорадським жуком за допомогою спектрорадіометрії. При використанні даного методу було встановлено, що при ураженні посадок картоплі фітофторозом (рис.1) на третій день після зараження ми спостерігаємо різке зниження спектральної яскравості відбиття в порівнянні зі здоровими рослинами, а на сьому добу після зараження значення спектральної яскравості показують, що рослини практично загинули. У цьому випадку величина спектральної яскравості рослин, уражених фітофторозом, близька до значень спектральної яскравості відбиття від грунту.
При пошкодженні картоплі колорадським жуком ми також спостерігаємо зниження значень спектральної яскравості відбиття вдвічі-втричі порівняно з рослинами без пошкодження шкідником. На рис.2 представлені дані щодо спектральної яскравості відображення рослин картоплі з урахуванням різного ступеня їх ушкодження. Отримані дані мають значення для дистанційного методу виявлення вогнищ ураження рослин картоплі колорадським жуком.
В даний час, на основі проведених досліджень щодо визначення інформативних ознак на основі спектральної яскравості відбиття від здорових і хворих рослин картоплі, а також пошкоджених колорадським жуком, встановлені найбільш інформативні спектральні піддіапазони довжин хвиль електромагнітного випромінювання для використання мультиспектральної зйомки підстилаючої поверхні сільськогосподарських угідь. та СЛА.
При визначенні хвороб необхідно враховувати результати досліджень Агрофізичного інституту, які дозволили визначити спектральні характеристики відбиття рослин, що відчувають дефіцит азоту та ґрунтової вологи.
Отримані результати важливі для виявлення інформативних ознак, що дозволяють чітко розділяти при дешифрації фітосанітарного стану сільськогосподарських угідь рослини, уражені хворобами, та мають патології, спричинені дефіцитом мінерального харчування або ґрунтової вологи.
Формування бібліотек спектральних образів хвороб різних сільськогосподарських культур, а також спектральних образів даних культур, що зазнають дефіциту мінерального харчування або ґрунтової вологи, дозволить за результатами дистанційного знімання інформації приймати обґрунтовані та оперативні рішення щодо стабілізації фітосанітарної обстановки за наявності хвороб або проводити комплекс агротехнічних заходів для зняття стресових ситуацій на посівах, спричинених іншими факторами.
Наступним важливим напрямом використання БВС є їх застосування для заходів щодо захисту рослин. Вперше БВС у вигляді безпілотних телекерованих гелікоптерів почали застосовувати в Японії на початку 90-х років для обробки пестицидами рисових чеків. В даний час у Китаї, який є лідером з виробництва сільськогосподарських дронів, площі обробки за допомогою БВС вже перевищують кілька мільйонів гектарів. Ринок БВС динамічно розвивається у всьому світі, обсяг застосування даних літальних апаратів щорічно збільшується на 400-500%. За прогнозами експертів, використання технологій застосування БВС у сільському господарстві у світі досягне ринкової вартості 5,7 млрд доларів.
З сільськогосподарських дронів на ринку домінують машини китайської компанії DJI, а найпоширенішою моделлю є DJI Agras T16.
Завдяки тому, що більшість деталей БВС цієї моделі зроблена з композитних матеріалів, маса апарату не перевищує 18,5 кг (без акумуляторної батареї). З обладнанням для захисту рослин під час заправки резервуару робочою рідиною злітна маса машини досягає 41 кг. Місткість резервуара для робочої рідини становить 16 літрів при оснащенні штанги вісьма розпилювачами. Перевагою даної моделі дрона є оснащеність радарами, завдяки чому різко скорочуються ризики зіткнення з перешкодами, а також забезпечується можливість роботи вночі з використанням прожекторів. Оптимальна висота польоту дрону над полем становить 2,5-3 метри, а при необхідності апарат може піднятися на 30 метрів (максимальна висота горизонтального польоту). Така висота необхідна для обробки багаторічних насаджень, рослин у ботанічних садах та лісових масивах від шкідників та хвороб.
У Російській Федерації отримано позитивні результати щодо використання БВС для боротьби з мишоподібними гризунами (дослідження проводилися за участю ВІЗР та фірми «Гінус»). Виробничі випробування дистанційного моніторингу та геокодованого внесення родентицидів у нори мишоподібних гризунів показали, що точність нової технології порівняно з ручним внесенням становить 91% проти 97%.
Накопичено практичний досвід використання БВС для дистанційного моніторингу ареалів поширення борщівника Сосновського, а також застосування технології обприскування гербіцидами проти даного шкідливого виду.
Незважаючи на позитивні результати та перспективність використання БВС у сільському господарстві, є недоліки, а також невирішені питання в галузі законодавства та регламентуючих нормативних документів щодо їх ефективного та безпечного використання для дистанційного моніторингу та захисту рослин, а саме:
- висока вартість БВС за ризиків втрати апарату під час виконання робіт;
- законодавчі обмеження щодо використання: у більшості країн світу БВС під час виконання робіт має знаходитися в межах прямої видимості оператора (відстань не більше 500 метрів);
- необхідність постановки на облік, реєстрації апарату (у більшості країн, якщо його маса перевищує 25 кг) та отримання ліцензії на використання БВС у комерційних цілях;
- потреба у додатковому дорогому обладнанні та кваліфікованому персоналі: для безперебійної та оперативної роботи БВС необхідно мати не менше трьох додаткових акумуляторів, генератор для їх заряджання; обслуговуванням однієї машини займається щонайменше трьох людина;
- велика залежність від метеорологічних умов. У вітряну погоду керування апаратом дуже утруднене, особливо при сильному бічному вітрі;
- відсутність узаконених регламентів застосування засобів захисту рослин за допомогою БВС відповідно до вимог ФЗ №109 «Про безпечне поводження з пестицидами та агрохімікатами»;
- відсутність нормативних документів щодо безпечної експлуатації БВС у сільському господарстві;
- відсутність нормативів страхових ризиків для юридичних та фізичних осіб при застосуванні засобів захисту рослин за допомогою БВС;
- висока ціна та нестача програмних продуктів для вирішення завдань дистанційного фітосанітарного моніторингу бур'янів, шкідників та хвороб з урахуванням економічних порогів шкідливості, а також автоматичної дешифрації їх результатів.
Назріла гостра потреба у створенні регіональних центрів з навчання операторів та виробничої апробації технологічних регламентів застосування БВС для моніторингу та захисту рослин.
У рамках програм із цифровізації сільського господарства необхідно прискорити розробку великих баз даних еталонних зразків бур'янів у найбільш уразливій фазі розвитку для застосування гербіцидів та еталонних зразків з характерними інформативними ознаками ушкоджень шкідниками основних сільськогосподарських культур. Не менш важливо завершити формування бібліотек спектральних образів здорових та хворих рослин з урахуванням впливу рівня мінерального харчування та агрокліматичних параметрів.
Анатолій Лисов, завідувач лабораторії інтегрованого захисту рослин ФДБНУ ВІЗР, e-mail: lysov4949@yandex.ru