Адресное опрыскивание: как далеко мы продвинулись?
Будущие нормативы в сфере защиты растений предусматривают значительное сокращение применения химических средств. Адресное (точечное) опрыскивание (SpotSpraying) является возможным решением этой проблемы. Тео Лееб и Йозеф Штангль рассказывают, на каком этапе здесь находится компания HORSCH, какие подходы уже разработаны и почему всё это очень важно.
На выставке Agritechnica-2019 были представлены некоторые компании, которые презентовали стартапы с решениями в сфере распознавания растений с помощью систем видеокамер и точечного опрыскивания. Первоначальная эйфория была сильной. Поскольку эти системы предназначены для обеспечения более точного применения средств защиты растений, что особенно необходимо с учётом требований ЕС по сокращению использования химических средств. Но насколько хорошо работает точечное опрыскивание на самом деле? Чтобы найти ответ на этот вопрос и предложить качественное решение, компания HORSCH провела несколько исследований в данном вопросе.
Перспективные решения
«На первый взгляд, решения казались очень привлекательными, интересными и готовыми для выхода на рынок. Именно поэтому в то время были проведены переговоры с тремя компаниями, чтобы посмотреть, на каком этапе всё это в целом находится, и проверить, есть ли возможность для сотрудничества. Но одна компания больше внимания уделяла внесению удобрений, поэтому это решение не было для нас особенно интересными», — рассказывает Тео Лееб.
Другой стартап из Франции был посвящён темам опрыскивания «зелёный на зелёном» и «зелёный на коричневом». В технологии «зелёный на коричневом» зелёный цвет соответствует растению, будь то культурное растение или сорняк, а коричневый — почве. «Зелёная» зона соответствует участку, где будет проводиться опрыскивание. В технологии «зелёный на зелёном» предполагается распознавание системой камер видов растений (сорняк или культурное растение) и их целенаправленное точечное опрыскивание. «Тема «зелёный на зелёном», безусловно, интересна для нас, особенно для европейского рынка. Мы размышляли над тем, для какого типа возделывания эта система может быть использована. Прежде всего вспомнился осот в посевах пшеницы», — рассказывает Тео Лееб. «Такие обработки актуальны, особенно когда распространение осота обусловлено севооборотом. С осотом в пшенице бороться легко, он обычно растёт гнездами и его легко обнаружить», - объясняет Йозеф Штангль. Осот можно считать классическим примером применения технологии точечного опрыскивания «зелёный на зелёном».
Вариант применения
«Чтобы проверить надёжность распознавания осота и его обработки на посевах пшеницы, мы протестировали один стартап. В его системе был разработан и обучен определённый алгоритм именно для этого варианта использования». Чтобы его проверить, компания HORSCH создала на полях большие исследовательские участки с различными разновидностями осота.
Для Тео Лееба разочарование наступило очень быстро. Несмотря на то, что система функционировала, её результаты были далеки от удовлетворительных. «По сути, точечное опрыскивание работает, но имеет свои ограничения. В среднем, система обнаружила только 60% сорняка, а остальные 40% остались незамеченными. Естественно, возникает вопрос: как оценить результат и достаточна ли такая степень эффективности? Наш вывод был таким: этого недостаточно. Ситуация не улучшились даже после того, как мы обучили эту модель с помощью дополнительных графических материалов и информации. Эффективность обработок осталась на тех же 60%. Итак, для практического применения эта система ещё не созрела.
Сфера применения
Тео Лееб считает важным учитывать, где точечное опрыскивание будет наиболее рациональным: на каких культурах, для какого вида обработок и в какой период. При этом также стоит обращать внимание на технические возможности и ограничения. «Во время своих лекций я акцентирую внимание на соотношении между наименьшим технически возможным размером участка и засорённостью сорняками. Минимальный размер участка составляет 50 × 50 см для машины со стандартным расположением форсунок через каждые 50 см. Если расстояние между сорняками (гнездами) меньше 50 см, форсунки опрыскивателя не будут выключаться. Это означает, что проводить точечное опрыскивание имеет смысл только в том случае, если расстояние между ними — более одного метра». Если взять в качестве примера пропашную кукурузу и посмотреть на распределение сорняков здесь, то расстояния между ними, в зависимости от погодных условий, обычно составляют сантиметровый диапазон. Расстояния между сорняками в несколько метров встречаются редко. Другая проблема, усложняющая ситуацию, — сорняки не прекращают расти. «Если сегодня обработать сорняки листовым гербицидом с помощью точечного опрыскивания, то на следующей неделе вырастут новые. Чтобы регулировать прорастание сорняков, нужны почвенные гербициды. Если использовать только листовые гербициды, то для достижения одного и того же результата потребуется больше проходов техники. В итоге будет обработана значительно большая площадь». Полученные результаты наталкивают на вывод, что точечное опрыскивание имеет смысл только в очень ограниченных условиях. Применение почвенных гербицидов обеспечивает «базовую защиту» на пропашных культурах. Отдельные сорняки, появившиеся позже, могут быть, действительно, удалены методом адресного опрыскивания. По мнению Тео Лееба, этот подход можно применить и к другим пропашным культурам. «На зерновых это сложнее, прежде всего, когда речь идёт о злаковых сорняках. Автоматической системе распознавания чрезвычайно трудно отличить их от культурных растений. Распознать лисохвост луговой в посевах пшеницы практически невозможно. Более вероятным мне представляется распознавание широколиственных сорняков в посевах злаков. Потому что здесь растения имеют визуальные отличия. Но распознать злаковые сорняки на пшенице осенью или весной — это сегодня задача нереальная». Точечное опрыскивание возможно только в том случае, если сорняки чётко отличаются от культуры. Поэтому применять его имеет смысл, когда засорённость случается одиночно или гнездами.
Система точечного опрыскивания
На практике бывают случаи, когда точечное опрыскивание является экономически и экологически выгодным. Поэтому компания HORSCH поставила перед собой цель разработать собственную систему точечного опрыскивания. «Сначала мы выяснили, какие технологии лежат в основе этого, а затем снова столкнулись с темами «зелёный на зелёном» и «зелёный на коричневом».
Технологию «зелёный на коричневом» применяют уже сравнительно давно различные компании, в частности, в засушливых регионах в США и Австралии. В основном там, где после уборки урожая обработка почвы отсутствует или очень незначительна. «Здесь из-за засухи наблюдается довольно редкое появление сорняков. Поэтому поля точечно обрабатывают глифосатом. С технологической точки зрения это довольно просто, поскольку это чисто визуальная обработка. При этом система проверяет, какого цвета пиксель — зелёный или коричневый. Если он зелёный, форсунка открывается и опрыскивает поле. Это невозможно реализовать без применения искусственного интеллекта. Поэтому это наша самая первая цель, поскольку представляет собой основу для дальнейшего процесса».
Искусственный интеллект и система камер
Параллельно компания HORSCH работает над созданием искусственного интеллекта, способного распознавать растения. Чтобы обучить модели искусственного интеллекта, прежде всего, необходим значительный объём соответствующего фотоматериала. Основы, в которых нуждается искусственный интеллект, и внешний вид модели были разработаны совместно с Немецким исследовательским центром искусственного интеллекта (DFKI). В модель искусственного интеллекта включили многочисленные фото с обозначением сахарной свёклы и сорняков. «Существует два подхода. В одном распознают отдельные сорняки, во втором — «только» культурные растения. В первую очередь мы сосредоточились на распознавании сельскохозяйственных культур с помощью искусственного интеллекта. Для достижения максимально эффективного качества распознавания требуется большое количество фотоматериала. На будущий период полевой обработки эти фотографии должны содержать изображения растений на всех важных стадиях развития при самых разных условиях освещения. Для высокой эффективности распознавания систему необходимо постоянно обучать. Сахарная свёкла была для нас тестовой культурой, на примере которой мы тренировали систему. Всё то, что было распознано как свёкла, не должно было быть обработано. А остальное — определено как сорняк и подвергнуто опрыскиванию».
Два метода
Помимо различия между «зелёный на зелёном» и «зелёный на коричневом», точечное опрыскивание можно разделить на два метода проведения. В режиме онлайн-метода камера надёжно зафиксирована на опрыскивателе. Распознавание, оценка и опрыскивание происходят одновременно во время рабочего процесса.
При автономном методе съёмка изображения поля производится с помощью дрона заранее. Данные фотографии загружают, оценивают и на их основе создают карту с географической привязкой к точным обозначениям зон опрыскивания.
Впоследствии эти карты загружаются в терминал машины, где они обрабатываются с помощью приложения опрыскивателя. По словам Йозефа Штангля, временной интервал между фотосъемкой с дрона и обработкой не должен быть слишком большим. Несмотря на качественный RTK-сигнал, процесс обработки картографических данных по-прежнему остаётся сложной задачей. Существенным преимуществом этой системы является то, что заранее известно, какое количество раствора потребуется для опрыскивания. Кроме того, этот вариант относительно удобен для начала работы с технологией точечного опрыскивания. Сравнивая оба метода, Йозеф Штангль предполагает, что онлайн-метод получит распространение благодаря простоте в использовании.
Текущая ситуация
«Точечное опрыскивание никогда не достигнет стопроцентной эффективности обработки сорняков», — приходят к единому мнению Йозеф Штангль и Тео Лееб. Некоторые растения не распознаёт камера, другие не попадают в модель распознавания. Поэтому эффективность точечного опрыскивания всегда немного ниже эффективности сплошной обработки. «Предстоит долгий путь. Чтобы внедрить эту технологию, подходят, прежде всего, пропашные культуры, такие как сахарная свёкла, кукуруза, соя, подсолнечник, возможно, рапс. Технике проще распознать схему расположения этих культур на поле, следовательно, она легче определяет сам урожай. Это позволяет легче идентифицировать сорняки. Особенно, если они растут гнездами, как корнеотпрысковые сорняки, их довольно точно можно локализовать на посевах пропашных культур. Чтобы уменьшить применение химических СЗР, особенно гербицидов, следует отказаться от проведения сплошной обработки», — объясняет Йозеф Штангль.
Наша цель состоит в том, чтобы в обозримом будущем внедрить эффективную систему «зелёный на коричневом» для регионов с технологией ноу-тилл. Кроме того, в компании HORSCH продолжают работу над распознаванием растений по технологии «зелёный на зелёном» на посевах пропашных культур, чтобы достичь экономии средств защиты растений по сравнению со сплошной обработкой. Ведь фактически в течение семи лет необходимо будет на 50% сократить применение химических средств. Это может служить мотивацией для развития технологий в этой области.