Vor mehr als hundert Jahren, im Sommer 1922, startete vom Flugplatz der Metropole Khodynsky ein Flugzeug mit Ausrüstung zur Durchführung chemischer Luftarbeiten durch Versprühen gegen Schädlinge und Krankheiten. Erfolgreiche Testflüge markierten den Beginn der Entwicklung der landwirtschaftlichen Luftfahrt.
Der Einsatz verschiedener Luftfahrtmittel zum Pflanzenschutz ist heute von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da er die Möglichkeit bietet:
— groß angelegte Fernüberwachung landwirtschaftlicher Nutzpflanzen;
- Schutzmaßnahmen bei kurzen landwirtschaftlichen Bedingungen und an schwer zugänglichen Stellen gegen besonders gefährliche Schädlinge (Heuschrecke, Wiesenmotte, mausartige Nagetiere, Kartoffelkäfer, Schadschildkröte) und Krankheiten (Braunrost, Kraut- und Knollenfäule, Alternariose);
- Bodenbearbeitung mit starker Bodenfeuchtigkeit, wenn Bodengeräte nicht auf das Feld gelangen können, insbesondere bei der Unkrautbekämpfung;
– Verarbeitung von Hochkulturen (Mais, Sonnenblumen) und Aussaat von Saatgut;
— Verarbeitung von Reisfeldern;
- Austrocknung;
– Bearbeitung von Pflanzen an Hängen mit einer Neigung von mehr als 7 Grad, wo Bodensprühgeräte nicht funktionieren können.
In der Sowjetunion war die AN-2 die Basis der landwirtschaftlichen Luftfahrtflotte. Die Entwicklung der landwirtschaftlichen Luftfahrt geht derzeit in Richtung einer deutlichen Ausweitung des Einsatzes von Ultraleichtflugzeugen (ALVs) und unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), die deutlich günstiger sind als schwere Flugzeuge. Gemäß den Föderalen Luftfahrtvorschriften und dem Luftgesetzbuch der Russischen Föderation wird ein Gerät (Flugzeug) als Ultraleichtflugzeug bezeichnet, wenn es über Folgendes verfügt:
- maximales Startgewicht nicht mehr als 495 kg (ohne Flugrettungsausrüstung);
- maximale Kalibriergeschwindigkeit (Mindestfluggeschwindigkeit) nicht mehr als 65 km/h.
Zu den unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) zählen Fahrzeuge, deren Flüge von außenstehenden Piloten (externen Piloten) gesteuert werden.
Merkmale der richtigen Einsatzart des UAV werden durch sein maximales Startgewicht bestimmt:
- bis 250 g - unterliegen keiner staatlichen Registrierung oder Buchhaltung;
- von 250 g bis 30 kg - unterliegen der obligatorischen staatlichen Buchführung;
- ab 30 kg und mehr - unterliegen der staatlichen Zulassungspflicht.
Wichtige Vorteile des Einsatzes von UAV und ALS sind:
— keine Verluste durch Beschädigung der Ernte durch Räder oder die Notwendigkeit der Verwendung von Fahrgassen (im Vergleich zu Bodengeräten);
- hohe Effizienz bei gleichzeitiger Reduzierung der Betriebskosten (im Vergleich zu schweren Flugzeugen, da diese Flugzeuge keine ausgerüsteten Flugplätze benötigen).
Der Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge hilft bei der Lösung folgender Aufgaben:
- Einholung detaillierter Informationen zur Erstellung einer kartografischen Grundlage landwirtschaftlicher Flächen und zur Platzierung landwirtschaftlicher Objekte mit ihren genauen Koordinaten zur Planung und Steuerung der technologischen Prozesse der landwirtschaftlichen Produktion;
– Durchführung einer Fernüberwachung auf der Grundlage multispektraler Bildgebung der darunter liegenden Oberfläche landwirtschaftlicher Flächen, um den Zustand und die Entwicklung von Kulturpflanzen zu bestimmen, Erträge auf der Grundlage der Berechnung des Vegetationsindex auf der Grundlage der Ergebnisse der spektralen Bildgebung usw. vorherzusagen;
– Echtzeit-Betriebskontrolle über den Betrieb der Bodenausrüstung und die Qualität der agrotechnischen Arbeit;
– geokodierte pflanzengesundheitliche Überwachung landwirtschaftlicher Flächen, um den Grad der Verunkrautung von Kulturpflanzen, das Vorhandensein von Schädlingen und Manifestationen von Krankheiten in einem frühen Entwicklungsstadium, auch in latenter Form, zu bestimmen;
Der Einsatz von UAV für Luftaufnahmen landwirtschaftlicher Flächen ermöglicht im Vergleich zu Satellitenbildern den Erhalt von Bildern mit einer höheren Auflösung (bis zu einem Zentimeter pro Punkt) und ermöglicht vor allem die Durchführung dieser Arbeiten bei dichtem Untergrund Wolken (Aufnahmen mit Raumfahrzeugen sind in solchen Zeiträumen nicht möglich).
Lassen Sie uns näher auf die pflanzengesundheitliche Überwachung von Kulturpflanzen eingehen. In letzter Zeit ist das Einsatzvolumen von Pflanzenschutzmitteln in Russland stetig gewachsen: Laut Statistik hat es sich seit 2010 alle fünf Jahre verdoppelt und erreichte im Jahr 2020 221 Tonnen. Da der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zunimmt, müssen landwirtschaftliche Betriebe eine zeitnahe Erfassung und Verarbeitung von Informationen über den pflanzengesundheitlichen Zustand landwirtschaftlicher Felder sicherstellen. Ohne diese Informationen ist es unmöglich, die Probleme der technologischen Unterstützung für den rationellen und sicheren Einsatz von Pflanzenschutzmitteln in einem kurzen landwirtschaftlichen Zeitrahmen zu lösen. Bestehende Methoden der Feldweginspektion ermöglichen es nicht, die erforderlichen Informationen schnell und in der richtigen Menge zu erhalten. In diesem Zusammenhang wird im Ausland und in unserem Land aktiv daran gearbeitet, leistungsstarke Remote-Methoden zum Abrufen von Informationen für die Planung und Durchführung von Pflanzenschutzmaßnahmen zu entwickeln. Für die betriebliche Fernüberwachung der Pflanzengesundheit werden am häufigsten unbemannte Luftfahrzeuge eingesetzt, die geokodierte Video-, Multispektral- und Hyperspektralbilder der darunter liegenden Erdoberfläche liefern.
Es ist anzumerken, dass die Probleme beim Einsatz von Fernmethoden zur Informationsbeschaffung im Bereich der Unkrautbekämpfung (Bestimmung des Standorts von Unkräutern auf dem Feld, Beurteilung von Ernteverlusten, Kartierung von Schadenszonen) bereits teilweise gelöst sind. In diesem Bereich wurden im Rahmen einer Vereinbarung über wissenschaftliche und technische Zusammenarbeit Forschungen unter Beteiligung von Spezialisten von VIZR, der University of Aerospace Instrumentation (St. Petersburg), der Samara Agrarian Academy und Ptero LLC (Moskau) durchgeführt. Positive Ergebnisse wurden beim Einsatz von BVS für Fernmethoden zur Informationsgewinnung auf Basis der Spektrometrie erzielt, um den Befall von Getreidekulturen und Kartoffelanpflanzungen mit mehr als 20 Unkrautarten zu beurteilen, darunter auch so schädliche Unkräuter wie der Sosnowsky-Bärenklau. Die Daten wurden auf Grundlage der Bestimmung und Analyse der spektralen Eigenschaften der Reflexion von Kulturpflanzen und Unkräutern im Wellenlängenbereich von 300–1100 nm gewonnen.
So wurden im Zuge der Studien zur Identifizierung definierender Merkmale auf der Grundlage der spektralen Reflexionshelligkeit von Kultur- und Unkrautpflanzen die aussagekräftigsten spektralen Teilbereiche elektromagnetischer Strahlungswellenlängen für die Verwendung moderner multispektraler Bildgebung der darunter liegenden Oberfläche landwirtschaftlicher Flächen ermittelt Fernerkundungssysteme. Eine Analyse der Spektralbilder von Unkräutern und Kulturpflanzen zeigt, dass wir charakteristische Unterschiede in den erhaltenen spektralen Helligkeitskurven in den Teilbereichen blauer, grüner, roter und nahinfraroter elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot-Teilbereich der Wellenlängen beobachten.
Eine schwierigere Aufgabe für den flächendeckenden Einsatz von Methoden der Fernerkundung landwirtschaftlicher Flächen ist die Bestimmung informativer Anzeichen von Pflanzenkrankheiten, und zwar vor allem in latenter Form. Dies liegt daran, dass viele informative Anzeichen von Krankheiten in ihrer spektralen Helligkeit den Anzeichen einer nichtinfektiösen Pathologie der untersuchten Pflanzen ähneln.
Positive Ergebnisse wurden bei der Bestimmung von Kartoffelkrankheiten und Schäden an Kartoffelpflanzen durch den Kartoffelkäfer mittels Spektroradiometrie erzielt. Bei der Verwendung dieser Methode wurde festgestellt, dass wir beim Anpflanzen von Kartoffeln, die von Kraut- und Knollenfäule befallen sind (Abb. 1), am dritten Tag nach der Infektion einen starken Rückgang der spektralen Helligkeit der Reflexion im Vergleich zu gesunden Pflanzen und so weiter beobachten Am siebten Tag nach der Infektion zeigen die Werte der spektralen Helligkeit, dass die Pflanzen praktisch abgestorben sind. In diesem Fall liegt der Wert der spektralen Helligkeit bei Pflanzen, die von Kraut- und Knollenfäule betroffen sind, nahe an den Werten der spektralen Helligkeit der Reflexion vom Boden.
Wenn Kartoffeln durch den Kartoffelkäfer geschädigt werden, beobachten wir außerdem einen Rückgang der Werte der spektralen Reflexionshelligkeit um das Zwei- bis Dreifache im Vergleich zu Pflanzen ohne Schädlingsbefall. Abbildung 2 zeigt Daten zur spektralen Helligkeit der Reflexion von Kartoffelpflanzen unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Ausmaßes ihrer Schädigung. Die gewonnenen Daten sind von großer Bedeutung für die Fernerkennung von Schäden an Kartoffelpflanzen durch den Kartoffelkäfer.
Basierend auf den Studien, die durchgeführt wurden, um informative Merkmale basierend auf der spektralen Helligkeit der Reflexion von gesunden und kranken Kartoffelpflanzen sowie solchen, die durch den Kartoffelkäfer geschädigt wurden, zu bestimmen, wurden derzeit die aussagekräftigsten spektralen Teilbereiche der Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung ermittelt Entwickelt für die Verwendung multispektraler Bildgebung der darunter liegenden Oberfläche landwirtschaftlicher Flächen mithilfe von BVS und SLA.
Bei der Bestimmung von Krankheiten müssen die Ergebnisse von Studien des Agrophysikalischen Instituts berücksichtigt werden, die es ermöglichten, die spektralen Eigenschaften der Reflexion von Pflanzen mit Stickstoff- und Bodenfeuchtigkeitsmangel zu bestimmen.
Die erzielten Ergebnisse sind wichtig für die Identifizierung informativer Merkmale, die es ermöglichen, bei der Entschlüsselung des pflanzengesundheitlichen Zustands landwirtschaftlicher Flächen eindeutig zwischen Pflanzen zu unterscheiden, die von Krankheiten betroffen sind, und solchen mit Pathologien, die durch einen Mangel an Mineralernährung oder Bodenfeuchtigkeit verursacht werden.
Die Bildung von Bibliotheken mit Spektralbildern von Krankheiten verschiedener Kulturpflanzen sowie Spektralbildern dieser Kulturpflanzen, denen es an Mineralernährung oder Bodenfeuchtigkeit mangelt, wird es ermöglichen, auf der Grundlage der Ergebnisse der Fernabfrage von Informationen vernünftige und schnelle Entscheidungen zu treffen zur Stabilisierung der pflanzengesundheitlichen Situation bei Vorliegen von Krankheiten oder zur Durchführung einer Reihe agrartechnischer Maßnahmen zur Linderung von durch andere Faktoren verursachten Stresssituationen bei Kulturpflanzen.
Die nächste wichtige Richtung beim Einsatz von BVS ist deren Einsatz für Pflanzenschutzmaßnahmen. Erstmals wurden Anfang der 90er Jahre in Japan UAVs in Form unbemannter ferngesteuerter Hubschrauber zur Behandlung von Reisfeldern mit Pestiziden eingesetzt. Derzeit übersteigt die mit Hilfe von UAVs bewirtschaftete Fläche in China, dem führenden Hersteller landwirtschaftlicher Drohnen, bereits mehrere Millionen Hektar. Auch der UAV-Markt entwickelt sich weltweit dynamisch, das Einsatzvolumen dieser Flugzeuge steigt jährlich um 400-500 %. Experten zufolge wird der Einsatz von UA-Technologien in der Landwirtschaft weltweit einen Marktwert von 5,7 Milliarden US-Dollar erreichen.
Bei den landwirtschaftlichen Drohnen wird der Markt vom chinesischen Unternehmen DJI dominiert, und das am weitesten verbreitete Modell ist die DJI Agras T16.
Da die meisten UAV-Teile dieses Modells aus Verbundwerkstoffen bestehen, überschreitet das Gewicht des Geräts 18,5 kg (ohne Batterie) nicht. Bei Pflanzenschutzgeräten erreicht das Abfluggewicht der Maschine beim Befüllen des Tanks mit Arbeitsflüssigkeit 41 kg. Das Fassungsvermögen des Vorratsbehälters für die Arbeitsflüssigkeit beträgt 16 Liter, wenn der Ausleger mit acht Düsen ausgestattet ist. Der Vorteil dieses Drohnenmodells besteht darin, dass es mit Radar ausgestattet ist, was das Risiko einer Kollision mit Hindernissen drastisch reduziert und auch die Möglichkeit bietet, nachts mit Suchscheinwerfern zu arbeiten. Die optimale Flughöhe der Drohne über dem Feld beträgt 2,5-3 Meter, bei Bedarf kann das Gerät auf 30 Meter angehoben werden (maximale horizontale Flughöhe). Diese Höhe ist für die Behandlung von Staudenplantagen, Pflanzen in botanischen Gärten und Wäldern vor Schädlingen und Krankheiten erforderlich.
In der Russischen Föderation wurden positive Ergebnisse zum Einsatz von BVS zur Bekämpfung muriner Nagetiere erzielt (die Studien wurden unter Beteiligung von VIZR und der Firma Ginus durchgeführt). Produktionstests zur Fernüberwachung und geokodierten Anwendung von Rodentiziden in den Höhlen mausähnlicher Nagetiere zeigten, dass die Genauigkeit der neuen Technologie im Vergleich zur manuellen Anwendung 91 % gegenüber 97 % beträgt.
Es wurden praktische Erfahrungen mit dem Einsatz von BVS zur Fernüberwachung der Verbreitungsgebiete des Sosnowsky-Bärenklaus sowie mit dem Einsatz von Herbizid-Sprühtechnik gegen diese Schadart gesammelt.
Trotz der positiven Ergebnisse und der Aussichten für den Einsatz von UA in der Landwirtschaft gibt es Mängel sowie ungelöste Fragen im Bereich der Gesetzgebung und Regulierungsdokumente zu ihrem wirksamen und sicheren Einsatz für Fernüberwachung und Pflanzenschutz, nämlich:
- hohe Kosten für UAV mit der Gefahr, dass das Gerät während der Ausführung der Arbeiten verloren geht;
- gesetzliche Nutzungsbeschränkungen: In den meisten Ländern der Welt muss sich das UAV während der Ausführung der Arbeiten im Sichtfeld des Bedieners befinden (die Entfernung beträgt nicht mehr als 500 Meter);
- die Notwendigkeit, das Gerät zu registrieren, zu registrieren (in den meisten Ländern, wenn seine Masse 25 kg übersteigt) und eine Lizenz zur Nutzung des UAV für kommerzielle Zwecke zu erhalten;
- der Bedarf an zusätzlicher teurer Ausrüstung und qualifiziertem Personal: Für den unterbrechungsfreien und effizienten Betrieb des UAV sind mindestens drei zusätzliche Batterien und ein Generator zum Laden erforderlich; mindestens drei Personen sind mit der Wartung eines Autos beschäftigt;
- große Abhängigkeit von meteorologischen Bedingungen. Bei windigem Wetter ist die Steuerung des Gerätes sehr schwierig, insbesondere bei starkem Seitenwind;
- Fehlen legalisierter Vorschriften für den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln mit BVS gemäß den Anforderungen des Bundesgesetzes Nr. 109 „Über den sicheren Umgang mit Pestiziden und Agrochemikalien“;
- Mangel an Regulierungsdokumenten für den sicheren Betrieb von UAVs in der Landwirtschaft;
- fehlende Versicherungsrisikostandards für juristische und natürliche Personen beim Einsatz von Pflanzenschutzmitteln mithilfe der BVS;
- hoher Preis und Mangel an Softwareprodukten zur Lösung der Probleme der pflanzengesundheitlichen Fernüberwachung von Unkräutern, Schädlingen und Krankheiten unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen Schädlichkeitsschwellen sowie der automatischen Dekodierung ihrer Ergebnisse.
Es besteht ein dringender Bedarf, regionale Zentren für die Schulung von Bedienern und die Produktionsabnahme von technologischen Verfahren für den Einsatz von UAS zur Überwachung und zum Schutz von Anlagen zu schaffen.
Im Rahmen der Digitalisierung landwirtschaftlicher Programme ist es notwendig, die Entwicklung großer Datenbanken mit Referenzproben von Unkräutern in der anfälligsten Entwicklungsphase für den Einsatz von Herbiziden und Referenzproben mit charakteristischen aussagekräftigen Anzeichen von Schädlingsschäden an wichtigen Nutzpflanzen zu beschleunigen. Ebenso wichtig ist es, die Bildung von Bibliotheken mit Spektralbildern gesunder und kranker Pflanzen abzuschließen und dabei den Einfluss des Mineralstoffgehalts und der agroklimatischen Parameter zu berücksichtigen.
Anatoly Lysov, Leiter des Integrierten Pflanzenschutzlabors, VIZR, E-Mail: lysov4949@yandex.ru