Czujniki dronowe dla rolnictwa precyzyjnego

Wprowadzenie

W ostatnich latach obserwujemy coraz szersze rozpowszechnienie technologii w rolnictwie, zwłaszcza narzędzi do monitorowania i pozyskiwania danych. Powód jest prosty: dane są cenne, ponieważ pozwalają działać na polu w sposób racjonalny, oszczędzając czas i zasoby.

Jednym z kluczowych czynników jest dostosowanie oferty, ponieważ każde gospodarstwo rolne ma specyficzne potrzeby i różne możliwości inwestycyjne. Z pewnością kwestia ekonomiczna jest najbardziej newralgiczna, ponieważ może ograniczać rozpowszechnianie się rolnictwa precyzyjnego, zwłaszcza w Europie, gdzie większość gospodarstw rolnych ma powierzchnię mniejszą niż 10 hektarów.

W tym kontekście drony wyposażone w czujniki oferują dostępne rozwiązanie i umożliwiają uzyskanie precyzyjnych informacji bez kosztownej infrastruktury, biorąc pod uwagę również możliwość skorzystania z usług zewnętrznych. Agrobit oferuje usługę iDrone w zakresie fotogrametrii lotniczej, tworzenia map RGB, multispektralnych i termicznych, map aplikacyjnych, modeli 3D oraz zaawansowanego przetwarzania danych. Aby dowiedzieć się więcej o oferowanych usługach, można przeczytać dedykowany artykuł iDrone: dron jako potężny sojusznik agronoma.

Czujniki dronowe

Celem tego artykułu jest przedstawienie przeglądu czujników, które można zamontować na pokładzie zdalnie pilotowanych statków powietrznych, czyli dronów.

Zacznijmy od podstaw: czym jest czujnik? Z technicznego punktu widzenia jest to urządzenie zdolne do wykrycia wielkości fizycznej (na przykład temperatury, wilgotności, odbitego światła) i przetłumaczenia jej na możliwe do zinterpretowania dane cyfrowe. Mówiąc prościej, czujniki są „oczami”, które zbierają informacje na polu, a agronom jest „umysłem operacyjnym”, który interpretuje je za pomocą zaawansowanych technik analizy danych i, dzięki swojemu doświadczeniu, przekłada je na konkretne działania. Dzięki rejestrowaniu światła odbitego przez roślinność można zbudować sygnaturę spektralną roślinności, prawdziwy cyfrowy odcisk palca (Rysunek 1). Każdy zakres odpowiada określonym cechom rośliny; na przykład w podczerwieni można scharakteryzować strukturę komórkową liści.

Rys.1: Sygnatura spektralna roślinności (źródło: Roman, Anamaria & Ursu, Tudor. (2016). Multispectral satellite imagery and airborne laser scanning techniques for the detection of archaeological vegetation marks).

Dlaczego warto korzystać z czujników dronowych? Główne cele to:

• Analiza stanu zdrowia uprawy poprzez obliczanie wskaźników wegetacji (NDVI, VARI, NDRE, GNDVI w zależności od dostępnego czujnika).
• Optymalizacja wykorzystywanych zasobów dzięki tworzeniu dedykowanych map aplikacyjnych opartych na wskaźnikach, na przykład do nawadniania i nawożenia.
• Szybkie wykrywanie ataków chorób i szkodliwych owadów, często niewidocznych we wczesnych fazach.
• Wsparcie decyzji agronomicznych dzięki interwencjom dostosowanym do konkretnego miejsca.

Rodzaje czujników

Dron przelatuje nad uprawą na niskiej wysokości i zbiera informacje za pomocą czujnika. Główne typy czujników to RGB, multispektralne, termiczne i LiDAR (Rysunek 2). Istnieją również czujniki hiperspektralne, ale ze względu na wysokie koszty zakupu pozostają wyłączną domeną świata badań naukowych.

Rys.2: Przykłady komercyjnych czujników każdego typu. Od lewej: RGB, multispektralny, termiczny, LiDAR.

Czujniki RGB dostarczają obrazy o wysokiej rozdzielczości w trzech podstawowych kanałach kolorów: czerwonym (R), zielonym (G) i niebieskim (B). W praktyce naśladują zdolność ludzkiego oka do obserwowania otoczenia i działają podobnie do aparatu w smartfonie. Ich zaletą jest możliwość rejestrowania bardzo szczegółowych obrazów, na podstawie których można uzyskać georeferencyjne mapy pola, modele 3D, zliczanie roślin, wizualną analizę stanu uprawy oraz wykrywanie widocznych uszkodzeń.

Czujniki multispektralne rejestrują obrazy w zakresach widma elektromagnetycznego niewidocznych dla ludzkiego oka, takich jak podczerwień i red edge. Umożliwia to głębszą analizę stanu zdrowia rośliny. W szczególności można obliczyć dokładne wskaźniki wegetacji, takie jak NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), NDRE (Normalized Difference Red Edge Index) czy GNDVI (Green Normalized Difference Vegetation Index). Wskaźniki te są przydatne do wczesnego wykrywania stresu abiotycznego i biotycznego. Za pomocą wskaźników wegetacji można tworzyć mapy tematyczne reprezentatywne dla pola; na przykład wskaźnik NDVI wykorzystuje się do tworzenia mapy wigoru (Rysunek 3). Mapa ta pozwala monitorować biomasę okapu i identyfikować obszary o niższej żywotności.

Rys.3: Mapa wigoru uzyskana ze wskaźnika NDVI w winnicy.

Czujniki termiczne wykrywają zmiany temperatury okapu lub gleby, mierząc temperaturę powierzchni. Czujnik ten powstał pierwotnie w celu monitorowania efektywności systemów nawadniania, ale może być skutecznie wykorzystywany do identyfikacji obszarów narażonych na stres wodny (liście w stanie stresu mają tendencję do zamykania aparatów szparkowych i ograniczania ewapotranspiracji, co zwiększa temperaturę powierzchni) oraz do oceny szkód spowodowanych przymrozkami lub udarem cieplnym. Dane zebrane przez czujnik można przełożyć na mapę termiczną (Rysunek 4), która umożliwia analizę obszarów dotkniętych stresem termicznym.

Rys.4: Mapa termiczna winnicy oparta na nalocie drona z czujnikiem termicznym.

Wreszcie, czujniki LiDAR emitują impulsy laserowe i mierzą czas potrzebny na to, by impuls został zarejestrowany przez odbiornik. Zmierzony czas jest przeliczany na odległość, co pozwala wygenerować punkt. Powtarzając ten proces niezliczoną ilość razy, na przykład wzdłuż rzędu roślin, można zbudować trójwymiarową chmurę punktów okapu rośliny. Dzięki modelowi 3D można obliczyć parametry biometryczne rośliny (takie jak objętość, wysokość i gęstość okapu) oraz stworzyć „cyfrowego bliźniaka” (Rysunek 5 i Rysunek 6).

Rys.5: Cyfrowy bliźniak winnicy.

Rys.6: Cyfrowy bliźniak drzewa cytrusowego (po lewej) i rzędu winorośli (po prawej).

Podsumowanie

Wykorzystanie czujników dronowych pozwala rolnikowi pracować w sposób bardziej racjonalny i obiektywny, ograniczając marnotrawstwo zasobów i zwiększając produktywność. Mimo tego potencjału bardzo ważne jest, aby być świadomym pewnych ograniczeń. Wykorzystanie dronów wymaga umiejętności technicznych oraz potwierdzonej znajomości przepisów dotyczących lotów w przestrzeni powietrznej. Ponadto nie należy lekceważyć zarządzania i analizy danych pozyskanych dzięki teledetekcji dronowej.

Właśnie z tych powodów skutecznym rozwiązaniem jest zaufanie firmie Agrobit, która dzięki usłudze iDrone udostępnia wiedzę, technologie i zaawansowaną infrastrukturę, aby wprowadzić rolnictwo precyzyjne bezpośrednio na pole. Dzięki iDrone zespół Agrobit zajmie się Twoim polem, od zaplanowanego lotu po zbieranie danych, od przetwarzania map po wsparcie decyzyjne dla rolnika. Dzięki iDrone każdy lot to trafny wybór!