Opryski punktowe – w jakim miejscu obecnie jesteśmy?
Warunki ramowe ochrony roślin w przyszłości przewidują silną redukcję środków. Jednym z możliwych rozwiązań jest oprysk punktowy (spotspraying). Theo Leeb i Josef Stangl opowiadają, nad czym aktualnie pracuje się w firmie HORSCH, jakie metody są możliwe oraz dlaczego to wszystko jest absolutnie niezbędne
Na targach Agritechnica 2019 reprezentowanych było parę firm i start-upów zajmujących się tematyką kamerowego wykrywania pojedynczych roślin oraz oprysków punktowych, które prezentowały pierwsze rozwiązania. Początkowa towarzyszyła temu wielka euforia, ponieważ systemy te powinny umożliwić dokładne trafienie środków ochrony roślin w roślinę, co jest niezbędne w świetle unijnych specyfikacji dotyczących oszczędności środków ochrony roślin.
W tym miejscu pojawia się pytanie: jak dokładnie w rzeczywistości działa oprysk punktowy i jak go skutecznie stosować? Aby znaleźć odpowiedzi na to pytanie i przedstawić dobre, celowe rozwiązania, w firmie HORSCH przeprowadzono odpowiednie badania.
Obiecujące rozwiązania
„Na pierwszy rzut oka rozwiązania wydawały się bardzo atrakcyjne, interesujące i praktycznie gotowe do wdrożenia na rynek. Rozmawialiśmy wówczas z trzema firmami, aby zobaczyć, jak daleko są w swoich rozwiązaniach i czy istnieje między nimi możliwość współpracy. Jedna z tych firm była bardziej skoncentrowana na nawożeniu, dlatego to rozwiązanie początkowo nie było dla nas tak interesujące” – mówi Theo Leeb.
Kolejny start-up z Francji zajmował się tematyką „zielony na zielonym” i „zielony na brązowym”. W przypadku „zielony na brązowym” kolor zielony odpowiada roślinie, niezależnie od tego, czy jest to roślina uprawna czy chwast, a brązowy glebie, czyli opryskiwane są wszystkie obszary rozpoznane jako zielone. W przypadku „zielone na zielonym” poszczególne rośliny, chwasty lub rośliny uprawne są rozpoznawane przez system i odpowiednio punktowo pryskane.
„Podejście „zielony na zielonym” jest dla nas bardzo interesujące, szczególnie w przypadku rynku europejskiego. Zastanawialiśmy się, jaki chwast jako najbardziej uciążliwy nasuwa nam się jako pierwszy i gdzie ten system aplikacji może być wykorzystany. Dlatego szybko pojawił się temat opryskiwania ostu w pszenicy” – mówi Leeb. „Jest to szczególnie ważne, gdyż osty z racji płodozmianu stanowią duży problem. Osty są łatwe do zwalczania w pszenicy. Zwykle pojawiają się w gniazdach i są łatwiejsze do zidentyfikowania” – wyjaśnia Josef Stangl. Osty byłyby zatem typowym przypadkiem zastosowania aplikacji punktowej „zielone na zielone”.
Przypadki zastosowania
„Aby dowiedzieć się, jak niezawodnie można rozpoznać osty i wypryskać je z pszenicy, przetestowaliśmy system jednej firmy typu start-up, która w tym celu opracowała algorytm i trenowała jego zastosowanie”. W HORSCHU utworzono wówczas na jednym z pól wielkopowierzchniowe „poletka” doświadczalne z różnym stopniem zaatakowania przez oset, po czym była badana metoda.
Theo Leeb szybko pozbył się złudzeń. Co prawda metoda działa, ale efekty były dalekie od zadowalających. „Zasadniczo wykrywanie chwastu działa, ale metoda ta ma swoje ograniczenia. Średnio rozpoznawano tylko 60% ostów, a pozostałe 40% były nienaruszone. Rodzi to naturalnie pytanie o to, jak sklasyfikować wynik i czy taki poziom efektywności jest wystarczający.
To nie wystarczy – tak oceniliśmy efekt pracy. Wynik nie poprawił się również po dalszym „dokarmieniu” modelu przy pomocy zdjęć i informacji – wskaźnik trafień pozostał na poziomie około 60%. To rozwiązanie nie nadaje się jeszcze do praktycznego zastosowania.
Zakres zastosowań
Zdaniem Leeba ważne jest, aby zastanowić się, w jakich uprawach, przy zastosowaniu jakiej aplikacji i w jakim momencie oprysk punktowy ma sens. Podejmując tego typu rozważania, należy również uwzględnić to, co jest technicznie możliwe i zastanowić się nad tym, jakie są ograniczenia. „Podczas moich prezentacji chętnie zwracam uwagę na to, że trzeba wziąć pod uwagę zależność między najmniejszą, technicznie możliwą, wielkością „punktu” a zachwaszczeniem.
Najmniejszy rozmiar „punktu oprysku” to ok. 50x50 cm przy standardowym rozstawie dysz wynoszącym 50 cm. Jeśli odległość między chwastami mieści się w przedziale 50 cm, to oprysk nie będzie się już wyłączał. Oznacza to, że oprysk punktowy ma sens tylko wtedy, gdy mamy stosunkowo niewielką populację chwastów – tj. w odległości większej niż jeden metr”.
Jeśli weźmiemy jako przykład uprawę rzędową kukurydzy i spojrzymy na rozmieszczenie chwastów, to odległości między chwastami, w zależności od pogody, są zwykle rzędu kilku centymetrów. Kilkumetrowe odległości między chwastami są rzadkością. Innym problemem, który komplikuje całą sprawę, jest to, że chwasty rosną stale. „Jeśli przy pomocy SpotSpraying spryskam dzisiaj chwast herbicydem dolistnym, to w następnym tygodniu odrosną nowe chwasty.
Herbicydy doglebowe są niezbędne do regulowania wzrostu chwastów i późnego zachwaszczenia. Jeśli postawi się wyłącznie na herbicydy dolistne, to wtedy do osiągnięcia tego samego rezultatu potrzeba kilku przejazdów. Ostatecznie spryskano znacznie większy obszar”.
Uświadomiło nam to, że oprysk punktowy w tych warunkach ma bardzo ograniczony zasięg. Stosując herbicyd doglebowy w uprawach rzędowych, można w ten sposób osiągnąć „podstawową ochronę”, a następnie pojedyncze chwasty można usuwać metodą punktową. Zdaniem Leeba podejście to można przenieść również na inne kultury rzędowe. „Jednak w przypadku zbóż staje się to trudniejsze, zwłaszcza jeśli chodzi o chwasty trawiaste.
Są one niezwykle trudne do odróżnienia od zboża przez systemy wykrywania. Wykrycie wyczyńca polnego w pszenicy jest prawie niemożliwe. Bardziej wyobrażam sobie wykrywanie chwastów szerokolistnych w zbożu, ponieważ tutaj rośliny są optycznie wyraźnie rozróżnialne. Jednak odróżnienie traw od pszenicy jesienią lub wiosną na dziś jest nierealne”. Opryski punktowe można zastosować tylko wtedy, gdy chwasty daje się łatwo odróżnić od kultury uprawianej i ma to sens w przypadku chwastów występujących sporadycznie lub w gniazdach.
System SpotSpraying
Istnieją takie sytuacje, w których aplikacja punktowa jest korzystna ekonomicznie i ekologicznie. Z tego powodu firma HORSCH postawiła sobie za cel opracowanie własnego systemu oprysku punktowego. „Przede wszystkim przyjrzeliśmy się technologii, na której opiera się system SpotSpraying, po czym ponownie natknęliśmy się na rozwiązania „zielony na zielonym” i „zielony na brązowym”.
Rozwiązanie „zielone w brązowym” jest proponowane od dawna przez różnych dostawców i jest stosowane głównie w USA i Australii na obszarach suchych lub obszarach siewu bezpośredniego. Głównie tam, gdzie po żniwach, a przed siewem nie jest stosowana żadna uprawa albo jest jej niewiele. „Z powodu suszy występują w tych regionach raczej rzadkie wschody pojedynczych chwastów, które są następnie punktowo traktowane glifosatem.
Z technologicznego punktu widzenia jest to stosunkowo proste, ponieważ jest to zwykła analiza zdjęć. System sprawdza, czy piksel jest zielony czy brązowy. Jeśli jest zielony, dysza otwiera się i pryska. Można to wdrożyć bez zastosowania sztucznej inteligencji i jest to jeden z naszych pierwszych celów, ponieważ jest podstawą do dalszej pracy rozwojowej.”
AI oraz system kamer
Równolegle pracuje HORSCH nad sztuczną inteligencją, która potrafi rozpoznawać rośliny. Do trenowania modeli AI potrzebny jest przede wszystkim odpowiedni i obszerny materiał zdjęciowy. Podstawy, których potrzebuje sztuczna inteligencja oraz wygląd modelu, zostały opracowane wspólnie z DFKI (Niemiecki Instytut Sztucznej Inteligencji). Do modelu AI wpłynęła duża liczba zdjęć z kwalifikatorami, na których odróżniono buraki cukrowe od chwastów.
„Są dwa podejścia. Jednym rozpoznaje się pojedyncze chwasty, drugim „tylko” uprawianą kulturę. My skupiamy się na razie na rozpoznawaniu upraw przez AI. Aby osiągnąć najwyższą możliwą pewność rozpoznawania, konieczna jest duża liczba zdjęć. Materiał zdjęciowy musi zawierać wszystkie istotne stadia wzrostu rośliny w różnych warunkach świetlnych, by móc w przyszłości pracować w różnym przedziale czasu.
Ciągły trening systemu jest niezbędny do uzyskania dobrych wyników rozpoznawania. „Dla nas burak cukrowy był kulturą testową, na której trenowaliśmy system. Ponieważ to, co jest burakiem, ma nie być pryskane, a wszystko inne, co jest zielone, jest wtedy chwastem i zostaje opryskane”.
Dwie metody
Oprócz rozróżnienia „zielony na zielonym” i „zielony na brązowym” wdrażanie oprysku punktowego można podzielić na dwa różne procesy. Przy metodzie on-line kamera jest zamontowana na stałe na opryskiwaczu. Wykrywanie, ocena i aplikacja odbywają się w jednym procesie roboczym w czasie przejazdu.
W przypadku metody off-line obraz jest rejestrowany z wyprzedzeniem za pomocą drona. W następnym kroku zdjęcia są oceniane i tworzona jest mapa georeferencyjna z dokładnymi lokalizacjami chwastów.
Na dalszym etapie prac mapy te są ładowane do terminala opryskiwacza i „punktowo” aplikują miejsca porażenia. Według Josefa Stangla czas między lotem drona a aplikacją nie powinien być zbyt długi. Pomimo RTK zarządzanie mapami wciąż stanowi wyzwanie. Godną uwagi zaletą tego systemu jest to, że z góry wiadomo, ile roztworu będzie potrzebne. Ponadto ten wariant jest stosunkowo niedrogi, jeśli chodzi o wejście w oprysk punktowy. Porównując te dwie metody, Josef Stangl dochodzi do wniosku, że metoda on-line zwycięży, ponieważ jest łatwiejsza w użyciu.
Aktualna sytuacja
„SpotSpraying nigdy nie trafi 100% chwastów” – z tą tezą zgadzają się Josef Stangl i Theo Leeb. Niektóre rośliny nie zostaną rozpoznane przez kamerę, inne prześlizną się przez model rozpoznawania. Wydajność oprysku punktowego jest zatem zawsze nieco niższa niż w przypadku aplikacji całopowierzchniowej. „Przed nami jeszcze długa droga. Uprawy rzędowe, takie jak burak cukrowy, kukurydza, soja i słonecznik oraz prawdopodobnie również rzepak, nadają się wyjątkowo dobrze do wystartowania z tą technologią.
W tych uprawach można zidentyfikować pewien wzór pracy maszyn, co ułatwia wykrycie uprawy, a co za tym idzie, identyfikacja chwastów jest prostrza. W szczególności chwasty, które występują jako skupiska w gniazdach, jak na przykład nasze chwasty korzeniowe, można stosunkowo niezawodnie zlokalizować w uprawach rzędowych. Aby osiągnąć redukcję, zwłaszcza herbicydów, trzeba powiedzieć: „Nie pryskam już wszystkiego”, wyjaśnia Josef Stangl.
Celem jest stworzenie w niedalekiej przyszłości systemu „zielone na brązowym” dla klasycznych obszarów siewu bezpośredniego. Ponadto HORSCH kontynuuje prace w zakresie „zielone na zielonym” w celu rozpoznawania pojedynczych roślin w uprawach rzędowych, aby wykorzystać potencjał oszczędności w porównaniu z opryskiem całopowierzchniowym. Motywacją do podjęcia tego typu działań może być fakt, że w ciągu najbliższych siedmiu lat trzeba będzie osiągnąć redukcję środków o 50%.