Home » Wydanie 23-2021 » Poznaj nas bliżej » Rozpoznawanie pojedynczych roślin – systemy kamer z przyszłością? (Theodor Leeb)

Ochrona upraw wspomagana kamerami – rozwiązanie już istnieje, ale jak daleko jesteśmy w codziennym zastosowaniu ich na polu? HORSCH LEEB od jakiegoś już czasu eksperymentuje w tym względzie. W rozmowie z terraHORSCH Theo Leeb wyjaśnia, gdzie leżą wyzwania i gdzie widzi szanse dla tego rozwiązania.

Rozpoznawanie pojedynczych roślin – systemy kamer z przyszłością?

terraHORSCH: Jak daleko są posunięte prace nad systemem kamer w zakresie wykrywania poszczególnych roślin?
Theodor Leeb:
Na targach Agritechnica 2019 niektóre przedsiębiorstwa typu start-up prezentowały systemy kamer do punktowego opryskiwania chwastów (spot spraying). Wywołało to spore poruszenie wśród klientów, producentów i decydentów politycznych oraz związane z tym oczekiwania. W firmie już od paru lat mierzymy się z tym zagadnieniem, próbując ocenić, w którym punkcie się znajdujemy.  Idea spot spraying wykorzystująca optyczne czujniki nie jest niczym nowym. Oprysk punktowy typu „Green on Brown” (zielony na brązowym) za pomocą czujników optycznych lub kamer stosowany jest od około 20 lat na typowych terenach bezuprawowych z niskimi opadami, takimi jak Australia, Rosja czy Kazachstan. Inna znana metoda opryskiwania to Green in Green (zielony na zielonym). A zatem te rozwiązania już istnieją. Pytanie tylko brzmi: kiedy i gdzie zastosowanie danego systemu ma naprawdę sens.

terraHORSCH: Co oznaczają terminy Green on Brown i Green in Green?
Theodor Leeb: 
Rozróżnia się dwie metody: „Zielony na brązowym” i „Zielony na zielonym”, przy czym kolor brązowy oznacza tu glebę, zaś kolor zielony rośliny – niezależnie od tego, czy są to uprawy czy też chwasty. Metoda Green on Brown, czyli zielony na brązowym istnieje dłużej. W tym zakresie niektórzy producenci oferują m.in. systemy do aplikacji glifosatu przed siewem. Metoda ta stosowana jest głównie na tych terenach, gdzie  stosowany jest siew bezpośredni. W metodzie Green in Green, czyli zielone w zielonym chodzi o rozróżnienie między rośliną uprawną a chwastami. Ponadto czasami można otrzymać informację zwrotną, jakie to są chwasty. Jeśli chodzi o pytanie, jak daleko jesteśmy w tym względzie, to już w ubiegłym roku oraz w tym sezonie przeprowadziliśmy kilka testów. Na przykład metodą Green in Green testowaliśmy oprysk ostu w pszenicy. Oset najczęściej występuje w gniazdach, a nie na całym obszarze pola. To był standardowy przypadek, w którym skorzystaliśmy z tej metody. Przeprowadzając eksperyment, chcieliśmy sprawdzić, jak dokładnie ten system rozpoznaje osty i jaki mamy współczynnik trafień. Generalnie można powiedzieć, że system działa. Osty są rozpoznawane, ale tylko częściowo. Wskaźnik trafień wynosił ok. 40-60%. Powstaje pytanie, czy to wystarczy. Moim zdaniem jest to jeszcze bardzo dalekie od stosowania w praktyce. Poza tym w takiej sytuacji rolnik zadaje sobie pytanie, co z chwastami, które wciąż stoją – czy należy je tolerować czy też nie. Oczywiście zależy to również od rodzaju chwastów, co też należy gruntownie wyjaśnić.

terraHORSCH: Czy osty nie zostały rozpoznane czy też system nie był wystarczająco szybki i w rezultacie nie trafił w oset?
Theodor Leeb:
W teście rozróżnialiśmy między „rozpoznany, ale nietrafiony” lub „nierozpoznany”, co logicznie również oznacza nietrafiony. Jednak to także kwestia kalibracji systemu. W belce o szerokości 36 metrów zamontowanych jest w sumie dwanaście kamer umieszczonych w odległości co trzy metry, które „patrzą” w przód pod kątem. Natomiast dysze są odpowiednio przypisane do danej kamery zgodnie z układem przestrzennym. W tym celu poszczególne pozycje kamery muszą być w sposób bardzo dokładny, a zarazem bardzo skomplikowany wymierzone, aby odpowiednia dysza otwierała się dokładnie we właściwym czasie. Jednak prawdziwym problemem jest tak naprawdę to, że oset nie został rozpoznany przez system. Największym wyzwaniem są tutaj różne warunki świetlne, czyli duże znaczenie ma fakt, czy danego dnia jest pochmurno czy też słonecznie, czy trzeba pracować ze słońcem czy pod słońce itp. Warunki pogodowe mają również wpływ na kształt ostu. Na przykład w silnym świetle słonecznym liście lekko się zwijają, co prowadzi do znacznie niższej wykrywalności. Uświadomiliśmy więc sobie, że nadal istnieje potrzeba optymalizacji.

terraHORSCH: Jak można ulepszyć system Green in Green, aby działał niezawodnie?
Theodor Leeb:
Trzeba pamiętać, że stoi za tym sztuczna inteligencja. Aby system zawsze trafnie rozpoznał oset, potrzebuje niesamowitej ilości danych treningowych. Potrzebne są zdjęcia i dane dotyczące ostów o wszystkich możliwych kształtach, w każdych warunkach świetlnych, na każdym etapie ich wzrostu oraz różnych gatunków ostów itp. To tysiące obrazów, które trzeba „ręcznie” przeanalizować i oznaczyć. Każdy piksel musi być prawidłowo przypisany. To ogromny wysiłek manualny, a zarazem sedno sprawy. Im więcej etykietowanych obrazów system otrzyma, tym precyzyjniej i niezawodnie będzie pracował.

terraHORSCH: Oset w porównaniu z innymi roślinami jest dość wyraźnie rozpoznawalny.
Theodor Leeb:
Zgadza się. Jest łatwo rozpoznawalny dla ludzkiego oka, dlatego potrafimy go rozróżnić. Również różnica między roślinami jednoliściennymi a dwuliściennymi jest dość wyraźna. Jeśli jednak chcemy na przykład odróżnić wyczyniec od pszenicy, to jest to już dużo trudniejsze. Wtedy dochodzimy do granic naszych możliwości. Ale są też inne ograniczenia techniczne. Ważną kwestią jest tutaj spot size, czyli najmniejszy możliwy obszar (plamka), który można opryskać. Teoretycznie z największym potencjałem oszczędności mielibyśmy do czynienia wtedy, gdyby każdy mały chwast towarzyszący można było spryskać na obszarze np. 5x5 cm. Ponieważ jednak pracujemy z opryskiwaczami powierzchniowymi, w których dysze montowane są w odległości co 50 cm lub 25 cm, efektem jest minimalna szerokość spot size wynosząca ok. 60 cm lub 35 cm – w zależności od rozstawienia dysz. Ze względu na to, że dysze nie mogą przełączać się nieskończenie szybko, dlatego spot size w kierunku jazdy mają długość ok. 50 cm. Jeśli jednak chwasty znajdują się w odległości mniejszej niż 50 cm, system nie da rady się wyłączyć. O potencjale oszczędności decyduje zatem wielkość powierzchni i populacja chwastów. Kolejne ograniczenie wynika z praw fizyki i optyki. Spójrzmy na przykład na buraki: w tym przypadku bardzo ważne jest wczesne rozpoznanie chwastów, tj. wtedy kiedy mają one jeden centymetr lub mniej. Teoretycznie da się rozpoznać tę malutką roślinkę tym systemem. Trzeba by jednak wówczas jechać bardzo wolno i spoglądać na powierzchnię ze wszystkich stron. W praktyce średnie prędkości robocze wynoszą 10 km/h i więcej. Aby zapewnić wystarczający czas reakcji, kamery są ustawione pod kątem w przód. Jeśli jednak przed małymi chwastami znajduje się większa bryła ziemi lub jeśli inna większa roślina zakrywa chwasty, kamera nie jest w stanie ich wykryć, co nie pozwala osiągnąć 100% trafień. Pytanie brzmi, co jest akceptowalne. Czy 90% wystarczy? Na dzisiaj jeszcze tego nie wiemy.

terraHORSCH: Czyli temat punktowego oprysku jest aktualnie ograniczony przez dane z testów oraz fizykę?
Theodor Leeb:
Tak, ale z tym wiąże się jeszcze trzecie, ekscytujące pytanie, na które należy odpowiedzieć. W przypadku wielu upraw rzędowych do dobrej praktyki należy powierzchniowe stosowanie herbicydu doglebowego zaraz po siewie. Daje to przez pewien czas podstawową ochronę. Chwasty, które pojawiają się po dwóch, trzech tygodniach, traktuje się nalistnymi środkami aktywnymi. Jeśli zrezygnujemy z herbicydu glebowego, to wówczas, logicznie rzecz biorąc, trzeba będzie poczekać, aż chwasty wyrosną, aby kamera mogła je wykryć. Załóżmy, że pryskamy punktowo pojawiające się chwasty. Problem polega na tym, że nalistne substancje czynne utrudniają rozwój roślin uprawnych. Nie da się uniknąć oprysku kultury, jeśli chwasty znajdują się blisko buraków. Ponadto z czasem pojawiają się nowe chwasty. W związku z tym znowu stajemy przed dylematem: jak często musimy pryskać punktowo daną uprawę, aby na przykład pole buraków pozostało czyste. Nie próbowaliśmy jeszcze dotąd zrezygnować ze stosowania herbicydu doglebowego. Moim zdaniem nie ma sensu tego robić w przypadku uprawy buraków. Bardziej sprawdza się wtedy kombinacja, gdy zastosujemy jako pierwszy powierzchniowy oprysk doglebowy, a następnie na dalszych etapach prac punktowy oprysk z systemem opartym na kamerach. Uważam również, że warto pomyśleć o zaakceptowaniu pewnego „progu szkody” lub, inaczej, mówiąc pominąć rośliny zakwalifikowane przez kamerę jako chwasty oraz chwasty trawiaste, ponieważ dzięki mądrze wybranemu płodozmianowi w kolejnym sezonie nie będą one stanowiły problemu. Moim zdaniem w tym tkwi największy potencjał oszczędności. Jednak nadal w tym zakresie musimy jeszcze doprecyzować kilka procesów rozwojowych, ponieważ oprócz czystej identyfikacji chwastów konieczna jest jeszcze ich klasyfikacja.

terraHORSCH: Do tej pory rozmawialiśmy o herbicydach. Czy istnieją również inne obszary, w których może Pan wyobrazić sobie zastosowanie oprysku punktowego?
Theodor Leeb:
W przypadkuchorób roślin można na przykład lokalnie zastosować dla zbóż fungicydy lub regulatory wzrostu. Nie potrzeba do tego tak drobno ustrukturyzowanego systemu oprysku punktowego typu spot spraying, ponieważ mówimy o większych obszarach. Do takiego oprysku wystarczy nasz system impulsowy PrecisionSpray ze zmienną dawką aplikacji co 3 metry belki. Podejmuje się już jednak pierwsze próby wykrywania chorób za pomocą kamer. Pytanie tylko, czy nie jest już na to za późno. W tym przypadku za bardziej celowe uważam podejście wykorzystujące biomasę i modele pogodowe.

terraHORSCH: A jak działa metoda „zielone w brązowym”?
Theodor Leeb:
W tym przypadku przeprowadziliśmy testy razem z producentem z Francji. Proces opiera się na rozróżnieniu kolorystycznym, czyli na podstawie obrazu z kamery sam analizujesz, które piksele są zielone, a które brązowe, czyli co jest rośliną, a co polem. Następnie obszar zielony jest spryskiwany. System ten się sprawdził, ale w międzyczasie okazało się, że nie ma on zbyt wielkiego znaczenia w Europie Środkowej, gdzie mamy większe tereny i wilgotne warunki.

terraHORSCH: Czy mógłby Pan to dokładniej wytłumaczyć?
Theodor Leeb:
Na polach o wysokich plonach po zbiorach stosuje się zazwyczaj uprawę ścierniska, po to aby wymieszać słomę z ziemią. Po kilku dniach lub tygodniach zaczyna kiełkować osypane ziarno i chwasty. Oznacza to, że pole jest mniej lub bardziej zielone na całym obszarze. Oprysk punktowy nie ma wtedy sensu, ponieważ rośliny rosną zbyt blisko siebie. Trzeba by wówczas spryskać całą powierzchnię, a nie tylko poszczególne fragmenty. Inaczej wygląda to na suchych terenach, gdzie przeważnie stosuje się siew bezpośredni. W tym przypadku po żniwach nie uprawia się gleby. Ze względu na to, że jest tam bardzo sucho, kiełkuje niewiele chwastów lub osypanych zbóż. W takim przypadku – zamiast opryskiwania całej powierzchni – można zastosować specjalny system kamer, np. aby zaoszczędzić na kosztach glifosatu, opryskując punktowo poszczególne rośliny. Oprócz „zielone na brązowym” i „zielone w zielone” istnieje jeszcze jedno rozróżnienie, a mianowicie metody offline i online. To, co opisaliśmy do tej pory, to metody online, tzn. masz zamontowane kamery na belce, a system sam decyduje o tym, czy pryskać, czy nie. W przypadku wykorzystania metod typu offline informacje są pozyskiwane w wyniku wcześniejszego procesu skanowania. Z reguły lata się wtedy nad polem dronem wyposażonym w kamerę o wysokiej rozdzielczości i skanuje teren z wysokości ok. 20 m. Obecnie stosuje się algorytm do odróżniania chwastów od upraw w obrazie o wysokiej rozdzielczości. System ten tworzy fragmentaryczną mapę aplikacji z obszarami, które należy opryskać. Informacje te są następnie wczytywane do terminala maszyny i wykorzystywane do wykonania oprysku. Działa to podobnie jak mapy aplikacyjne do nawożenia. Od jakiegoś już czasu razem z firmą typu start-up przeprowadzamy doświadczenia z systemami offline. Generalnie system ten już również działa, ale wciąż jeszcze natrafiamy na kilka przeszkód. Na przykład, aby wykonać oprysk, trzeba mieć aktualne dane. Nie ma sensu latać dronem nad polem z 14-dniowym wyprzedzeniem, ponieważ w międzyczasie zmieni się jego zachwaszczenie. Druga przeszkoda wiąże się z czynnikami fizycznymi. Ze względu na etapy prac rozdzielone czasowo spots („najmniejsza wielkość”) muszą być większe, aby trafić w chwasty, ponieważ tolerancje odległości GPS-u drona i opryskiwacza się sumują. Większe powierzchnie spots oznaczają jednak większą powierzchnię oprysku, a tym samym mniejszy potencjał oszczędności. Dodatkowym wyzwaniem są bardzo duże ilości danych – kilka gigabajtów na hektar, które muszą być przesłane na serwer w celu przeliczenia informacji. Obecne połączenia internetowe często dochodzą tu do granic swoich możliwości. Poza tym mapy aplikacji muszą być z powrotem przesyłane na terminal rolnika. W zależności od liczby wielokątów (a co za tym idzie ilości spots) przy aktualnych terminalach ISOBUS możliwe są tylko mapy aplikacyjne o powierzchni mniejszej niż 5 hektarów. Oznacza to, że technicznie lub technologicznie procedura offline jest wykonalna. W praktyce jednak potrzeba trochę więcej czasu na optymalizację procesów. Przede wszystkim potrzebujemy rozwiązań dostosowanych do dużych ilości danych. Być może będziemy musieli również znaleźć rozwiązanie równoległe do ISOBUS-u.

terraHORSCH: Jak by Pan podsumował naszą dotychczasową rozmowę?
Theodor Leeb:
Moim zdaniem oprysk punktowy (spot spraying) jest kolejnym logicznym krokiem w kierunku sprostania przyszłym wymaganiom dotyczącym Zielonego Ładu, ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju. Logiczną konsekwencją tego jest przejście od oprysku całych powierzchni przez aplikacje rzędowe po małopowierzchniowy oprysk punktowy (spot spraying). Celem jest aplikacja tylko tam, gdzie jest ona całkowicie niezbędna. System oparty na kamerach może wnieść w to cenny wkład, niezależnie od tego, czy jest stosowany online czy offline. Pracujemy intensywnie nad optymalizacją obu systemów i przeprowadzamy kolejne testy w celu zdobycia doświadczenia w tym obszarze. Naszym celem jest wcielenie w życie tego, co jest technologicznie wykonalne w taki sposób, aby metody te były bezpiecznie, pewnie i łatwo stosowalne dla rolnika w jego codziennej pracy. Dzięki temu oprysk punktowy spot spraying może stać się kolejną cegiełką w kierunku optymalizacji klasycznej ochrony roślin. Widzę jednak również pewne ograniczenia dotyczące wdrożenia tego rozwiązania, ponieważ na polu nie mamy znormalizowanych, przemysłowych, stałych warunków.
 Mój końcowy wniosek jest następujący: natura zawsze pozostanie naturą. Natury nie da się wepchnąć w industrialny czy cyfrowy gorset.