Okna piaskowe – wykrywanie i szukanie przy użyciu drona

Okna piaskowe – wykrywanie i szukanie przy użyciu drona. Rolnictwo precyzyjne to, coraz częściej słyszane w tej branży pojęcie. Co się z tym wiąże? Co kryje się pod tą definicją?

Rolnictwo precyzyjne lub też inżynieria upraw, to jedna z gałęzi przemysłu rolniczego o olbrzymiej dynamice rozwoju. Jest powiązane z drugim wysoce istotnym działem jakim jest geoinformatyka. Co to jest geoinformatyka? Jest to dyscyplina naukowa która zajmuje się przetwarzaniem numerycznych informacji geograficznych, również niezbędnych w rolnictwie precyzyjnym

Główną ideą precyzyjnego rolnictwa jest optymalizacja procesów. Począwszy od sposobów przeprowadzania orki, zasiewu, poprzez sposób i styl nawadniania na zrównoważonym i zbilansowanym ekonomicznie nawożeniu kończąc. Wiąże się z tym również dywersyfikacja zagrożeń oraz tzw. czynników stresu roślin.

Dawniej przysłowiowy „tradycyjny” rolnik po zaoraniu, zasiewie i nawożeniu doglądał czasowo swojej uprawy. Bardziej świadomi plantatorzy, którzy chcieli mieć kontrolę nad wielkością oraz jakością upraw zaczęli stosować wszelkiego rodzaju zabiegi pielęgnacyjne. Jakie? Selektywne nawożenie, miejscowe nawadnianie, czy też oprysk herbicydami i pestycydami. Działo się to jednak globalnie w skali jednej uprawy. Oznaczało to, iż w wielu przypadkach środki były dozowane w sposób nieekonomiczny i w miejscach nieuzasadnionych.

Mądre głowy poszły kilka kroków dalej

Mądre głowy poszły kilka kroków dalej. Zadano sobie pytanie czy aby na pewno konieczne jest zastosowanie jednakowych zabiegów w miejscu gdzie je przeprowadzono. Wieloletnie badania potwierdziły przypuszczenia, że nie i należy wybierać tylko takie miejsca gdzie występuje konieczność zastosowanie pestycydów lub herbicydów bądź wymagana jest zmian nawodnienia. Idąc tym tropem naukowcy zaczęli reagować miejscowo na odchylenia od żądanej normy wzrostu roślin. Tak w dużym skrócie można zobrazować narodziny dziedziny zwanej rolnictwem precyzyjnym albo inżynierią upraw.

Podstawą sukcesu precyzyjnego rolnictwa jest monitorowanie i szybka reakcja na niepożądane czynniki. To właśnie monitorowanie upraw w kontekście czynników takich np. stresu wodnego, ataku owadów i ogólnego zdrowia roślin jak również ich składników odżywczych oraz chorób jest ważnym aspektem udanych zbiorów i dorodnych upraw.

Dzięki odpowiednim obserwacjom możliwa jest właściwa i celowa reakcja. Sposoby obserwacji i postrzegania rolnictwa na przestrzeni lat mocno uległy unowocześnieniu. Obecnie dysponujemy oprzyrządowaniem naziemnym do miejscowego badania kondycji roślin. Zarówno z kosmosu przy pomocy satelity, jak i z powietrza przy wykorzystaniem samolotów mamy możliwość uzyskiwać przydatne informacje.

Zbieranie danych

Dane zebrane miejscowo na ziemi dają najbardziej precyzyjne wyniki. Są one jednak bardzo powolne i potrzeba tysięcy pobrań żeby w skali globalnej uzyskać wyniki odnośnie jednego obszaru. Zdjęcia wykonane na dużej wysokości, czy to z orbity, czy samolotu dają z kolei wyniki o małej precyzji, ale z dużą szybkością dla wielkich obszarów.

Warto w tym miejscu wspomnieć, że nie są to zwykłe zdjęcia wykonane aparatami o dużych rozdzielczościach, nie są to nawet zdjęcia w paśmie widzialnym dla ludzkiego oka. Najwięcej informacji uzyskuje się z pasma części spektrum niewidzialnego promieniowania elektromagnetycznego, dzięki cyfrowym rejestratorom multi- oraz hiper-spektralnym. Kamery, o których mowa podczas zapisu danych zbierają również informacje telemetryczne. Informacje te są niezbędne dla geoinformatyki celem właściwego pozyskania pożądanej pozycji dla skutecznego zastosowania wymaganych i koniecznych działań na zasiewie bądź nasadzeniu

Idealnym rozwiązaniem byłoby zastosowanie metody wolnego przelotu nad dużym terenem wraz wysoką precyzją zdjęć. Taką metodykę obserwacji zapewniają jednostki UAV (unmanned aerial vehicle) tzw. drony, czyli bezzałogowe statki powietrzne. Dzięki szybkiemu rozwojowi komercyjnych zastosowań dronów w wielu gałęziach przemysłu, również w rolnictwie precyzyjnym, drony świetnie zdają egzamin. To właśnie przez unikatowe możliwości takie jak loty na bardzo niskich pułapach z niskimi prędkościami w połączeniu ze specjalistycznym oprzyrządowaniem, jednostki UAV świetnie nadają się do precyzyjnego monitoringu upraw.

Kamery spektralne

Miniaturyzacja, która dosięgnęła również do niedawna pokaźnych rozmiarów laboratoryjne i przemysłowe kamery spektralne, pozwala na zastosowanie ich wraz z dronem. Na rynku jest, co najmniej kilku uznanych producentów kamer spektralnych oferujących swoje rozwiązania dla różnych zakresów oraz o różnych rozdzielczościach spektralnych. Koniecznie trzeba podkreślić, że wybór rodzaju rejestratora do analiz powinien być uzależniony od skali, celu oraz dokładności danych przestrzennych. Wiadomo, że każdy obiekt odbija promieniowanie elektromagnetyczne w charakterystyczny sposób. Dla przykładu jak podaje Emilia Wiśniewska „rośliny zielone odbijają poszczególne zakresy promieniowania w różnych proporcjach, ale przebieg tzw. krzywej spektralnej zielonych części roślin będą charakteryzowały minima w przedziałach niebieskim i czerwonym oraz maksimum w zakresie zielonym oraz bardzo wyraźny wzrost odbicia w bliskiej podczerwieni.”

Kluczem do sukcesu jest tutaj zdefiniowanie dla konkretnej uprawy, za co odpowiada dana długość fali oraz odpowiednia interpretacja wyniku. Nie jest to jednak możliwe bez korelacji wyników z pomiarami laboratoryjnymi oraz naziemnymi a także wyliczeniami geoinformatycznymi. Takie działanie jest w początkowej fazie ogromnie kosztogenne, czasochłonne oraz wymaga sporych zasobów sprzętowych. Natomiast przewiduje się, że po ukończeniu badań i komercjalizacji rozwiązań, jednostkowy koszt przebadania 1 ha powierzchni będzie relatywnie niski. A co z jakością pobranych próbek? Będzie połączeniem prędkości badania samolotem z precyzją i dokładnością pobierania próbek ręcznie.

Badania spektralne z wykorzystaniem dronów, a poszukiwania nieciągłości w nawodnieniu gleby

Badania spektralne z wykorzystaniem dronów posłużyć mogą również do poszukiwań nieciągłości w nawodnieniu gleby. Jak wiadomo gleby piaszczyste i wszelkie ich pochodne, nie zatrzymują wody tak dobrze jak gleby ciężkie lub gliniasto-ilaste. Woda również ma swoje widmo spektralne dzięki czemu istnieje możliwość wykrycia jej występowania bądź jej niedoboru. Na terenach rolniczych utrzymanie wody na odpowiednim poziomie jest bardzo istotne, przeszkadza w tym między innymi obecność piasku. Obszary zapiaszczone w glebach o dużej, średniej i niskiej pojemności wodnej definiowany jako okno piaskowe również może zostać wykryty przez zastosowanie odpowiednich kamer i detektorów.

Konkluzja nasuwa się sama. Dzięki obserwacji stanu roślin oraz środowiska, które je otacza, jak również odpowiednio wczesnych reakcji na zmiany w nich zachodzących można dziś z przekonaniem, graniczącym z pewnością, stwierdzić, że jesteśmy w przededniu wyhodowania roślin niemal idealnych o doskonałym smaku oraz owoców najbogatszych w walory odżywcze. Wymaga to jeszcze przeprowadzenia szeregu wdrożeń, testów oprzyrządowania i wielu analiz. Potrzebne będzie również sporządzenie obszernych baz danych wspomaganych sieciami neuronowymi na wielu poziomach w celu przyspieszenia odpowiedniej prezentacji danych.