АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VII, брой 4, 2019

Прецизна растителна защита

Прецизна растителна защита

Снимка: John Deere

Прецизното въвеждане на химически продукти за растителна защита е перспективен начин за намаляване на тяхната употреба и вредното им въздействие върху околната среда. Възможностите за неговото реализиране се свързват с използването на съвременните информационни системи като Global Positioning System (GPS), Differential Global Positioning System (DGPS) и Geographical Information System (GIS). Пълното прилагане на концепцията за прецизна растителна защита изисква използване на новите високочувствителни многоканални оптико-електронни компютърни системи за управление на пръскащи агрегати.

В статията ще разкажем за методите за диференцирано внасяне на хербициди, за диференцираното внасяне на хербициди - режим online, за диференцираното внасяне на фунгициди и за роботизираната техника за прецизна растителна защита.


Основното изискване на интегрираната концепция за растителната защита, както е посочено в международните документи и националното законодателство, е да се намали токсикологичното натоварване на околната среда. Затова e необходимо да се намали количеството на продуктите за растителна защита (ПРЗ) до необходимия минимум. Опитно е установено, че намаляването на използваните продукти, независимо от степента на увреждане на културите, няма да реши този проблем. Ето защо в концепцията за целенасочено използване на продукти за растителна защита е въведено понятието икономически праг на вредност (ИПВ). Той отразява количеството на определен вид вредител средно на единица площ, при което повредите от него, в стойностно изражение, надвишават разходите, необходими за провеждане на химичен контрол. Стойността на ИПВ зависи от променящите се икономически фактори, например, от цените на продуктите за растителна защита, както и от мястото на отглеждане.

За повечето вредители, особено за фитопатогените, решението за защита от тях трябва да бъде взето още преди да бъде достигнат ИПВ. Ето защо, за да не се увеличава поражението върху растенията, се въвеждат се т.нар. прагове на защита (ПЗ) - плътност на популацията от вредители, при която е необходима защита, за да не се достигне до ИПВ.

Определянето на ИПВ и ПЗ зависи от много фактори и не може да бъде еднозначно. За обосноваване на оптимални решения за контрол на вредителите се използват компютърни модели, като се отчита влиянието на множество взаимосвързани фактори. Въпреки това, внасянето на ПРЗ, вземайки предвид ИПВ или ПЗ, на практика е свързано със значителни проблеми, причинени от разнородността на вредителите в насажденията.

Решението за внасяне на хербициди, отчитайки ИПВ, се взема на базата на осреднени данни, получени от цялото поле, което в по-голяма или в по-малка степен, е заплевелено. Използването на хербициди често може да се окаже, че не е икономически обосновано. От гледна точка на екологичния фактор - това е прекомерно натоварване с хербициди в тези земеделски площи, където не се изисква тяхната употреба. Модерните технологии за прецизно земеделие предоставят инструменти за по-ефективно управление на продуктите за растителна защита. Те включват дистанционно наблюдение - сателитни или въздушни снимки, заснети във видимите части на електромагнитния спектър, GPS, GIS, мобилни и вградени компютри и сензори. Сега в света се използват безконтактни сензори, които се поставят директно на мобилното оборудване. Вземането на решения в областта на прецизното селско стопанство изисква специално оборудване и машини, които да поддържат Variable rate technology (VRT) - технология за променлива норма на растителна защита, т.е. диференцирано внасяне на пестициди. Процесът на диференцирано внасяне на пестициди, като се отчита разнородността на засяване по отношение на почвено плодородие, повредите от вредители, в това число от фитопатогени, неприятели и плевели, включва следните дейности: събиране на данни, необходими за вземане на решения за внасяне на пестициди, обработка на тези данни и тяхната оценка по отношение на екологични и икономически фактори на вредност – ИПВ, както и директно управление на пръскащия агрегат.

За реализирането на технологията VRТ световните производители на селскостопанска техника комплектуват оборудването си с GPS - приемници, сензори и GIS - софтуер, който интегрира всички налични данни в различни формати по слоеве и от различни източници.

Методи за диференцирано внасяне на хербициди
Съществуват два метода в технологията за диференцирано внасяне на хербициди. Първият метод е на базата на двуетапен технологичен процес, включващ предварително картографиране и последващо използване на картата в работата на пръскащия агрегат - режим offline. Вторият метод е непрекъснат едноетапен технологичен процес - режим online. При първия метод двата етапа се изпълняват отделно във времето. Благодарение на геокодираното събиране на данни с DGPS се получават карти за заплевеността. След обработка им с геостатистически методи и с помощта на GIS, се съставят цифрови 3D-електронни карти. Въз основа на тези работни карти-рецепти, се управлява пръскащия агрегат, който е оборудван с компютри и механизми. Това позволява на движещия се по полето агрегат, да фиксира заплевеността и в съответствие с нея да извърши диференцирано пръскане на елементарни участъци с различно заплевяване в реално време.

Двустепенният технологичен режим за внасяне на хербициди на практика е показал достатъчна ефективност, но неговата употреба е сравнително скъпа и е малко използвана в селското стопанство.

Геокодиране на операциите не е необходимо във втория технологичен метод - режим - online. При него в един процес всички технологични етапи се извършват едновременно, т.е. събирането на данни за плевелите, обработката им и управлението на пръскащия агрегат се извършват в едно работно преминаване. За целта пръскачката е оборудвана с оптико-електронни сензори и системи за едновременна обработка на снимкови изображения от растителната покривка. Именно те се използват за диференцирано пръскане на елементарни полеви участъци. Реализирането на този технологичен подход е свързано с предлагането на пазара на различни сензорни системи и електронно управляеми пръскачки, с директно и многокамерно захранване.

Дистанционните методи, използващи спътникови снимки, не са намерили широко приложение в диференцираното отчитане на полевото заплевеляване, тъй като геометричната резолюция не е достатъчна, за да се определят плевелите в ранните фази на тяхното развитие. В допълнение, оптичните снимки са възможни само в условия на безоблачно време. Алтернативата е мониторинг на заплевеляването на полетата чрез използване на самолети или дистанционно управляеми свръх леки летателни апарати, които изискват алгоритъм за анализ на множество данни.

Диференцирано внасяне на хербициди - режим online
По-голямо практическо приложение на диференцирано внасяне на хербициди в прецизното земеделие имат системите, работещи в реално време, т.е. online. Те се характеризират с използване на GPS технологията. Тя позволява да се следи движението на техниката по полето, да се проверява Normalized Difference Vegetative Index (NDVI) - индекс на биомасата и нормата за разход на хербициди. Данните от NDVI могат да бъдат анализирани, като се идентифицират земеделски площи с голям брой плевели. Всъщност, ако стойността на индекса е повече от средната стойност, това вече не е положителен знак. Завишената цифра на NDVI показва, че площта е силно заплевелена.

Системите online са оборудвани с оптико-електронни сензори за регистриране и разпознаване на плевелите. На базата на получените данни плевелите се третират с хербициди. Друг вариант е данните, получени от сензорите, да се записват върху носител и да се представят в електронен вид. По-късно, когато те се използват, същите се декодират с помощта на специални устройства и служат за управление на трeтирането с хербициди.

Записването на плевелите в електронен вид може да е под формата на снимки с характерните за тях признаци - външна форма, цвят и текстура. За да се получат такива снимки, се използват специални мощни цифрови фотокамери. По-сложните системи за разпознаване на много видове плевели се оборудват с няколко камери. Положителни резултати са получени при използване на система с трицифрови камери, които заснемат плевели с височина 50-100сm над повърхността на почвата. За разпознаване на плевелите, снимките се сравняват с тези в базата с данни на компютърната система. Резултатите от електронното заснемане и декодирането на електронните снимки могат да се прилагат директно, както за управление на пръскачката по време на движението є, така и след получаването им за съхраняване в геокодирани карти на полевото заплевеляване за последваща употреба.

В случаите, когато не се изисква определяне на видовия състав на плевелите при относително постоянство на тяхното разпределение - особено за многогодишни плевели с известен праг на вредност, могат да се използват съществуващи оптични сензори. При тяхната работа се отчитат закономерните разлики в спектралните характеристики на светлината, отразена от почвата и зелените растения.

През последните години производителите усъвършенстват пръскащите агрегати, като ги комплектоват с иновационни оптико-електронни сензори за откриване на плевели, които са монтирани директно на трактора. Тракторът също така е оборудван с бордов компютър с инсталиран подходящ софтуер, с който пръскачката може да се управлява от сигнали на сензора. Благодарение на новите сензори е възможно по-добро диференцирано внасяне на хербициди от пръскачката при скорост от 25 km/h. Принципът на работа на едно сензорно устройството е както следва. Вградените светодиоди сканират повърхността на полето в червения и инфрачервения спектър. Ширината на сканиране на един сензор, в зависимост от модела, е от 30 до 38cm. Светлината, отразена от повърхността на растението, се улавя от детектор, разположен в централната част на сензора. Електронната част на последния анализира характеристиките на отразената светлина. Здравите растения абсорбират повече червена светлина и отразяват повече инфрачервена светлина. Ако разпознаващото оптическо електронно поле на сензора определи, че на зеленото растение му е необходима защита срещу плевели, тогава към пръскащата дюза се изпраща сигнал. В зависимост от настройката на скоростта, сензорът изчаква, докато дюзата се окаже над зеленото растение, след което настъпва моментално дозирано пръскане точно върху плевела. По този начин не се замърсява почвата. Така разходите за контрол на плевелите се намаляват с 90%. Системата за насочено пръскане с отделни дюзи, прави възможно пръскането с хербициди да се извършва и при по-силен вятър.

Диференцирано внасяне на фунгициди
Болестите по растенията, в началната фаза на епидемиологичния процес, се проявяват в отделни растения. Въпреки това, въз основа на ИПВ и ПЗ, фунгицидите се прилагат равномерно. Взема се предвид осредняването на показателите за цялото поле, въпреки че не се изисква прилагане в участъци, които са свободни от болести. Както при третирането с хербициди, регулирането на процеса на внасяне на фунгициди в зависимост от разнородността на пораженията, може да подобри икономическата ефективност и да намали нивото на замърсяване на околната среда. Затова трябва да се познават характеристиките на местното разпространение на болести по полето и размера на засегнатата област.

За картографиране разпределението на болестите по полето е необходимо да се спазва обективен методологичен подход за мониторинг на културите. Картографирането на растителните щети чрез обхождане на културите е твърде скъпо. Затова то се използва само в експериментални работи. В контрола с болестите съществува и друг проблем, който не позволява на практика да се използва концепцията за двуетапен подход - offline. При благоприятни метеорологични условия болестите се разпространяват много бързо в културите. Ако те достигнат критични ПЗ, пръскането трябва да започне веднага. В същото време, картографирането на разпространената болест по полето и вземането на решение за пръскане изискват известно време. По този начин двуетапните технологии - offline могат да се използват за елиминиране огнищата на почвени патогени и вредители.

В рамките на концепцията за интегрирана растителна защита, като се вземат предвид екологичните и икономическите фактори, е препоръчително да се прилагат фунгициди само в онези части от полето, където се срещат гъбните заболявания. Картографирането на разпространените болести по полето е свързано с трудоемко ръчно тестване, така че не се изисква създаването на такива карти.

Понастоящем няма практически технологии за директно сензорно откриване на гъбните, бактерийните и вирусните заболявания по растенията преди да е достигнат ПЗ. Следователно факторът заболеваемост на растенията като критерий за целенасоченото използване на фунгициди не се взема в предвид.

Целта на прецизното прилагане на фунгициди е внасянето на приблизително еднаква концентрация на препарата на единица растителна повърхност. Тези повърхности обаче варират значително в зависимост от гъстотата на постоянните култури. При внасяне на фунгициди с еднаква разходна норма по цялото поле, по повърхността на растенията попадат неравномерни количества от химически препарати. Значителни количества от тях попадат и на места, където няма култивирани растения. Ето защо, в областите на полето с редки стебла и слабо развити култури, се изисква по-малко потребление на работна течност, отколкото в по развитите и гъсти култури.

Практическа, икономическа и екологична обосновка за целенасоченото внасяне на фунгициди е диференциране на разходните им норми за разнородни житни култури, рапица и т.н., в зависимост от размера на растителната повърхност. Тук се преследва следната цел - отчитане на различията в растежа на различни места в едно и също поле. Целта е да се осигури равномерно покритие на растителната повърхност с фунгициди по цялото поле. Мярка за растителна повърхност е индексът на листната повърхност (ИЛП), който изразява съотношението на повърхността на растението - m2, към повърхността на почвата - m2. Той може да се определи ръчно с помощта на оптични измервателни уреди. На практика за диференцирано внасяне на фунгициди, отчитайки разнородността на културите по полето в реално време - online, се препоръчва използване на уред Crop Meter или ди-спектрална камера. Тя се използва за предоставяне на информация за измерения ъгъл на отклонение, определящ плътността на растителната биомасата.

При практическото използване на уреда Crop Meter има две технологични стъпки. Край една технологична пътека, която се различава с най-голяма диференциация на растителната маса, се извършва селективно измерване на ИЛП в различни точки. Тъй като този подход не може да предостави изчерпателна информация за това, какви гъбни заболявания се срещат в тази област, е необходимо предварително да се определят възможните заболявания и подходящите средства за защита. Полевата обработка се извършва, като се използват препоръките на регионалната службата за растителна защита, както и въз основа на собствен мониторинг.

Използването на този подход не изисква геокодиране и следователно GPS-технология. Въпреки това, натрупването на данни в GIS или протоколирането на предприетите мерки, под формата на карти, е положително. Това позволява да се оцени стойността на целевата площ - съотношението на повърхностната площ на растенията към повърхността на почвата. Пространственото свързване на тази зависимост се осъществява чрез геокодиране, използвайки мобилен DGSP-приемник.

В избраната разнородна технологична пътека се извършва измерване на растителната биомаса с Crop Meter. В този случай стойността на ъгъла на отклонение се записва в паметта заедно с позицията. След това ъглите на отклонение в избраните точки на тестване могат да бъдат сравнени с показанията на ИЛП, получени с ръчно измерване чрез регресионен анализ. Така се определя ъгъла на отклонение, при който е необходимо въвеждането на максималната разходна норма - 100%. Земеделският производител трябва сам да въведе в бордовия компютър стойността на максималното и минималното количество фунгициден работен разтвор. При избора на тези индикатори, определяща е максималната и минимална повърхност на листа в изминаващата технологична пътека. Минималното количество на разхода зависи също от възможния диапазон за регулиране на пръскачката.

Роботизирана техника за прецизна растителна защита
Роботът Lettuce Bot е създаден от Blue River Technology САЩ. Представлява автономно движещо се средство. Той открива плевелите с помощта на специални оптични елементи и ги унищожава с помощта на автоматизирана прецизна система за пръскане. Роботът може да работи независимо от времето на денонощието, а автоматизираната му система за прецизно пръскане извършва оперативно диференцирано внасяне на средства за растителна защита с отделни дюзи. Оптичните елементи разпознават наличието на плевелна растителност на полето. Вградените светодиоди на системата сканират повърхността на полето в червения и инфрачервения спектър. Светлината, отразена от повърхността, се улавя от детектор, разположен в централната част на сензора. Електронната част на сензора анализира характеристиките на отразената светлина и ако се установи, че под сензора има зелено растение, то в зависимост от настройката на скоростта към дюзата се изпраща сигнал, когато тя е над растението, след което се получава моментално залпово пръскане. С използването на робота се спестява време, намалява се количеството на хербицидите и вредното им въздействие върху околната среда.

Роботът HortiBot - Дания, е един от първите прототипи за растителна защита срещу плевели. Той е проектиран от група датски учени агрономи. HortiBot е автономно движещо се устройство, оборудвано с компютър и GPS модул за прецизно пръскане на хербициди върху плевели. Човешкото участие се свежда само до преместването на робота на друг участък и стартирането на една от опциите на програмата.

Роботът BoniRob - Германия е оборудван с манипулатор, камера за откриване на плевели, инструмент за плевене, камера за визуалeн контрол. Роботът движейки се по полето автоматично открива плевелите, като ги разграничава по формата на листата и ги вдълбава в земята на дълбочина около 3cm. Ако се улови голям плевел, процедурата се повтаря. Изпълнителният механизъм за плевене е под формата на прът-стъбло, с диаметър 1cm. Производителността на робота е - 1,75 брой плевели в секунда при скорост 3,7cm/s, а максималната скорост е 9cm/s..