Дистанционное зондирование земли при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Проблемы и способы их решений. (интервью с В.Ф. Лысенко)
Cайт ndvi.com.ua посвящен популяризации дистанционного зондирования земли для решения проблемных вопросов аграрного сектора. Для популяризации этого направления, помимо публикации научных статей, было решено взять интервью с теми, кто реально разрабатывает и использует прогрессивные агротехнологии. Сегодняшнее интервью нам любезно согласился дать руководитель группы ученых из Национального университета биоресурсов и природопользования заведующий кафедрой автоматики и робототехнических систем имени академика И.И. Мартыненко профессор Виталий Филиппович Лысенко.
Виталий Филиппович, тема дистанционного зондирования, как таковая, не нова, есть спутниковые технологии, но решения на основе использования дронов пока не получили повсеместного распространения даже в индустриально развитых странах. Какие, по Вашему мнению, причины тормозят распространение этих перспективных технологий и каково в общих чертах направление Ваших разработок?
Вы правы, спутниковые технологии активно развиваются с 70-х годов прошлого столетия. Их появление было обусловлено тем, что СССР закупал в США и Канаде огромное количество зерна, при этом засекретил данные о состоянии собственного агропромышленного комплекса. На переговорах о цене и условиях поставки американцам было принципиально знать о реальном состоянии урожая в СССР для выработки оптимальной стратегии на переговорах. Решение было найдено путем использования спутников в рамках программы Landsat. Результаты были столь впечатляющими, что сейчас на орбите больше десятка спутниковых платформ, специализированных именно под аграрную сферу. Но вместе с преимуществами спутники имеют и технологические недостатки, например «непрозрачность» атмосферы для ряда диапазонов излучения – при наличии облаков оптический диапазон неприменим. Для низколетящих аппаратов, к которым и относятся дроны, облака препятствием не являются, но тут есть и свои сложности. К примеру, учет нестабильности излучения при измерении яркости по спектральным каналам. Попытки применения дронов для аграрного сектора также относятся к 70-м годам, но это скорее были экспериментальные, не серийные разработки. Энергообеспечение дронов осуществлялось при помощи двигателей внутреннего сгорания, которые помимо преимуществ по мобильности, имеют и технические сложности – генерацию электромагнитных помех, сильно затрудняющих управление в режиме реального времени. Появление в 2008 г. новых литий-полимерных аккумуляторов, с их выдающимися характеристиками отношения мощности к массе и габаритам, принципиально упростило и удешевило дроны. Поэтому, одной из причин, по которой дроны не стали до сих пор так же естественны в поле, как трактор или комбайн, является новизна технологии. Кроме того, дроны представляют собой оборудование с принципиально другими возможностями и могут использоваться для решения не «стратегических», а «тактических» задач непосредственно в хозяйстве. Но разработка этих решений возможна только при условии привлечения специалистов из разных областей знаний. Сложности в кооперации этих специалистов также ограничивают развитие этих технологий. Наш университет имеет статус исследовательского, то есть кроме подготовки студентов мы активно занимаемся научными исследованиями, имеем соответствующее оборудование, обеспечение и главное — специалистов. Так, в нашей команде работают специалисты по автоматизации, компьютерно-интегрированным технологиям, программированию, математическому моделированию и, что чрезвычайно важно, агрохимии. В настоящий момент, параллельно с другими темами по робототехнике занимаемся вопросами технологии мониторинга посевов с помощью дронов для рационального применения удобрений.
Есть ли еще в нашей стране группы, работающие в этом направлении?
Безусловно, есть как в государственных учреждениях, например Харьковском аграрном университете, так и в различных коммерческих компаниях. В интернете накоплена информация о фирмах, позиционирующих себя на использовании дронов и рекламирующих свои услуги, в том числе и в аграрном секторе. Некоторые указывают на наличие даже экспериментальных исследовательских хозяйств. Но, кроме желания, нужна еще и специализированная материально-техническая база, действующие полевые стационары, которых в стране совсем немного, а специализированных по удобрениям и того меньше – на вскидку не больше 10. Агрохимическому стационару в нашем университете более 60 лет, и там, путем многолетней кропотливой работы, удалось избавиться от случайных факторов, влияющих на результаты исследований. На нём и проводились главные полевые исследования. Создание подобного объекта «с нуля» требует серьезных финансовых вложений и организационных усилий, а также методического сопровождения. Особым вопросом остаются кадры. В СССР в каждом районе функционировали агрохимические службы, теперь их потенциал сильно утрачен. В нашей стране оставалось только 10 кафедр агрохимии, но у нас в Национальном университете биоресурсов и природопользования Украины такие высококвалифицированные кадры есть. Причем нужно понимать, что это должны быть не просто специалисты в агрохимии, а такие из них, кто способен формулировать задания для инженеров и программистов. В нашей команде специалисты из разных областей знаний дополняют друг друга, и именно это стало залогом полученных положительных результатов. Приведу вам любопытный пример такого симбиоза. Наша кафедра входит в ассоциацию «Теплицы Украины», для технологических нужд которой проводились исследования в разработанном нами фитотроне. Когда началась эта тема с удобрениями, в нем были проведены вегетационные опыты с зерновыми культурами. Вскоре после прорастания семян были выполнены соответствующие измерения, и было выявлено, что зависимости между дозами внесённых удобрений и цветом листьев не наблюдается. Пока специалисты по автоматизации анализировали, что не так в опыте, агрохимики объясняли, что все так и должно быть на начальных этапах вегетации, и нечего искать ошибки и перепроверять программу для контроллера, управляющего фитотроном. Это один из простых примеров сотрудничества.
В.Ф. Насколько актуальна эта тема, и каким вы видите конечный продукт исследований?
Классическая агрохимия создавалась и утверждалась в советское время. СССР был мировым лидером по производству удобрений, они были в избытке и крайне дешевыми. Нередко случалось, что излишки удобрений, чтобы не везти на склад, просто сваливались в лесопосадках. Регулировались, зависимо от общих факторов (климатические условия, уровень плодородия почвы), только нормы основного удобрения. Сегодня экономические и технологические условия требуют точного подхода к земледелию, и конкретно к внесению удобрений на любом этапе. Лет через 5-7 дифференцированное внесение удобрений станет привычной технологической операцией. Нужно понимать, что поле, в большинстве случаев, характеризуется разнородностью по ряду показателей – рельефу, уровню плодородия. Это обусловлено особенностями залегания пород, водным режимом, однотипным внесением удобрений, другими факторами. Встречаются на производственных полях и совсем проблемные участки, занимающие значительные площади. Нами обследовано немало полей. Смотришь со стороны дороги – вроде ровное однородное поле, а «взгляд свысока» открывает совсем другую картину. Чтобы получить равномерно-высокую урожайность, важно индивидуально подойти к каждому участка поля. Это и решение «на сейчас», если мы говорим о подкормке растений, и решение на будущее – создание карты поля, локализированное агрохимическое обследование почвы для разработки дифференцированной программы технологических приёмов улучшения плодородия. Почво-сберегающий и экономический эффект от этого будет высоким. Относительно азотных удобрений. За прошедшие 15 лет цена одной тонны аммиачной селитры выросла с 200 грн. за тонну до 12-15 тыс. грн. и, соответственно, ее составляющая в цене конечной продукции выросла существенно. Но именно азотные удобрения определяют не только количество, но и качество зерновых культур. При этом азотные удобрения водорастворимы и их нельзя вносить разово. К примеру, при посеве нужна подкормка в определенные периоды вегетации. Есть серийное наземное оборудование, которое исходя из цвета растения, дифференцирует дозу вносимых удобрений. В качестве примера можно привести GreenSeeker (США), CropSpec (Япония), Yara N-Sensor (Норвегия). То есть сама идея не нова, но когда оборудование вышло на поле, аграрии будут уже вносить удобрения по факту для получения максимального урожая. Тут использование дронов может обеспечить принципиально иной подход, а именно исходя из реального состояния поля и растений, аграрии могут программировать урожай. Если поле в плохом состоянии и достойной цены на рынке зерна нет, может и экономически не рентабельно вносить удобрения конкретно на этом поле или, к примеру, применить более дешевые и низкокачественные удобрения. Таким образом, аграрии смогут использовать принципиально иной критерий оптимальности: не максимальную урожайность, а максимальную прибыль. Кроме того упомянутые выше технические средства с сенсорами для наземного оборудования достаточно дороги и применяются не круглогодично, что сказывается на окупаемости оборудования. Дроны, как носители сенсорного оборудования, могут использоваться для создания электронных карт поля, в том числе и состояния минерального питания. Эти карты могут использоваться гораздо более примитивными и соответственно дешевыми техническими средствами для внесения удобрений, позиционированные с помощью GPS. Такие средства создаются и модернизируются в нашей стране, а выигрыш в цене очевиден. Кроме того, дроны могут попутно применяться в хозяйстве и для других целей, позитивный опыт есть, удавалось делом переубеждать скептиков.
В.Ф., а с чем связан скептицизм производственников, ведь преимущества очевидны?
Ранее наши сотрудники для практических исследований на реальном объекте обратились в хозяйство, занимающееся растениеводством в промышленных масштабах. Главный агроном встретил моих коллег, мягко скажем, без энтузиазма, но на старых отношениях, как наш выпускник дал добро на полеты и даже решил сопровождать на начальном этапе. После взлета дрона над кукурузным полем, он вдруг сильно заинтересовался получаемой в реальном времени картинкой, после чего вызвал начальника охраны и куда-то уехал, разрешив брать образцы без него. Как выяснилось потом, он увидел, что в середине поля, незаметно воруют початки кукурузы. Впоследствии он рассказал, что ему уже предоставляли услуги по мониторингу с помощью дрона, обещая золотые горы, по факту выдав через неделю после облета карту с вегетационными индексами. Как перейти от индексов к дозам удобрений не рассказали, выдав практически только проблемные участки поля, где нужно было делать классический агрохимический анализ, длительность которого составляет несколько дней. Поскольку время на принятие решения о дозах внесения удобрений измеряется днями, а не неделями, главный агроном почувствовал себя обманутым, отсюда и отношение к нашим сотрудникам, пропагандирующим эти технологии. Позднее он советовался с ними о выборе дрона, решив, что неподкупный «глаз» в небе очень полезен в хозяйстве. Уверен, что и с зондированием мы его переубедим делами.
Как Ваша команда планирует решить или решает вопрос с обработкой больших массивов данных, ведь и снимки большие и их нужно как-то обрабатывать, к примеру в облачных сервисах, а это требует времени, которого так не хватает?
Эта задача решается как аппаратно, так и программно. К примерам аппаратного решения можно отнести американскую камеру SlantRange, которая обрабатывает результаты прямо в полете и выдает результаты через 15 минут после приземления. Так же для обработки могут применяться и стационарные и мобильные компьютеры. Современные многоядерные процессоры хорошо приспособлены для подобных многопотоковых вычислений.
Сейчас конкуренция во всем, в том числе и в научных исследованиях. В чем вы видите свои преимущества?
В настоящее время прорывные результаты в науке и технике наиболее вероятны на стыках областей знаний. В нашем случае это агрохимия, геоинформационные системы, автоматика с робототехникой, математическое моделирование. Большинство исследователей пробует адаптировать космические технологии к беспилотным летающим платформам, но это как адаптировать колеса от болида «формула 1» к скутеру. Это возможно, но нерационально, это принципиально разные агрегаты, созданные для совсем разных условий. В нашем случае, вегетационные индексы для спутников выводились из особенностей именно платформы размещения датчиков. Для коррекции по освещению применялись природные оптические эталоны. Индексы организовывались таким образом, чтобы методологически снизить влияния нестабильности освещения. Для дронов в научных целях можно использовать искусственные оптические шаблоны и получать приемлемые результаты, но как это организовать в промышленных масштабах? В наземных агрегатах это удалось решить, используя дополнительные источники освещения, но для дронов это не приемлемо. Нам, как специалистам по автоматизации, удалось проработать этот вопрос и запатентовать решение. Это открыло новые перспективы по повышению точности мониторинга, так как нет необходимости ограничивать себя в методологии создания вегетационных индексов и, по нашему мнению, целесообразно создавать вегетационные индексы, адаптированные именно для дронов.
По вашему мнению, сможет ли ваша технология полностью автоматизировать процесс внесения удобрения?
К этой цели нужно идти, но дорога не простая и простых решений не ожидается. Биологические объекты, к которым относятся и растения, — очень сложные и высокоорганизованные системы. Работа с ними – непростая задача. В данном случае мы создаем новую технологию в помощь агроному (агрохимику). Если привести аналогию с портным, то вместо иголки мы даем ему швейную машинку. К сожалению, в аграрной сфере дефицит технологических кадров будет еще долго оставаться проблемой, и мы пытаемся решить её не количественно, а качественно.