Беспилотники и точное земледелие: правильный выбор и применение

Продолжение интервью с руководителями компании AirMetric Александром Алехиным (генеральный директор) и Андреем Банщиковым (коммерческий директор).

ГлавПахарь. Расскажите об оборудовании, которое Ваша компания AirMetric предлагает отечественному потребителю для использования в технологиях точного земледелия, его эксплуатационных характеристиках и функциональных возможностях?

Александр Алехин. Мы эксплуатируем самолетные и мультикоптерные платформы от мировых лидеров дроностроения — senseFly (Швейцария) и DJI (Китай). Эти платформы давно и успешно применяются компаниями по всему миру, они доказали свою эффективность и простоту эксплуатации.

Думаю, дроны DJI не нуждаются в представлении. Помимо промышленных мультикоптеров, они доминируют на рынке хобби-дронов. Если вы когда-либо задумывались о покупке летающей камеры, скорее всего, это был DJI Mavic Air или Mavic Pro.

Интереснее поговорить про другой бренд, который мы представляем —  senseFly. Это швейцарская компания, которая в прошлом году отметила свое десятилетие и уверенно обосновалась в своей нише — малых крылатых БПЛА со сменной полезной нагрузкой. Дроны senseFly широко применяются в Европе, США, Китае, Бразилии, Африке. В России они применяются в основном профессиональными геодезическими компаниями и компаниями из горнодобывающей отрасли. В меньшей степени этот дрон известен в российской аграрной отрасли, в основном, из-за консерватизма отечественного сельхозпроизводителя.

 Основные идеи, которые заложены в самолеты senseFly:

1. Компактность: весь комплект в одном кейсе (14 кг).
2. Минимальная взлетная масса: 1,1-1,5 кг — для безопасного использования.
3. Автономность и минимизация «человеческого фактора».
4. Автоматизация алгоритмов поведения дрона в опасных ситуациях.
5. Комплексное решение: программирование полета > выполнение полета > готовый продукт.
6. Высокая автоматизация процессов обработки: подходит для неподготовленного пользователя.
7. Обслуживание одним человеком: нет катапульт и парашютов для взлета/посадки.
8. Многозадачность: одна универсальная платформа и сменные сенсоры.
9. Высокая ремонтопригодность: использование модульной конструкции.

Для нужд сельского хозяйства существует модификация senseFly eBee SQ с камерой Parrot Sequoia+. На сегодняшний день это самая маленькая и легкая мультиспектральная камера. С её помощью можно производить съёмку в четырех калиброванных зонах спектра, необходимых для построения индексных карт вегетации: зелёной, красной, красного края и ближней инфракрасной. Также на Sequoia+ установлена классическая 16 Мп RGB-камера для съемки в видимом диапазоне спектра.

ГлавПахарь. Существуют ли различия при применении летающего крыла или квадро- октокоптера? Какую площадь может исследовать один дрон в течение дня?

Александр Алехин. Различия примерно такие же, как между самолетом и вертолетом. Если за день нужно покрывать значительную площадь (более 300 га), летая на больших (от 400 до 1000 м) высотах, целесообразно использовать летающее крыло. Если площадь поля небольшая, вполне подойдет съемка с квадрокоптера. И те, и другие имеют схожие по характеристикам оптические и мультиспектральные камеры, главное отличие — стоимость дрона и его производительность (которая в итоге тоже конвертируется в себестоимость работ).

Если приводить конкретные цифры, то съемка участка в 300 га с высоты 120 м и одинаковым перекрытием: 75% на 65% на разных дронах займет:

Помимо большего покрытия, крылатые дроны имеют больший радиус действия сигнала, что позволяет эффективнее снимать поля, которые расположены на удалении друг от друга. Оператору не нужно перемещаться вслед за дроном, чтобы сменить аккумулятор и не потерять с ним связь.

И хотя квадрокоптеры проигрывают в производительности, у них есть одно неоспоримое преимущество — они могут зависать над определенными участками поля и передавать изображение в реальном времени.

По нашему опыту, компании, внедряющие у себя съемку с воздуха, сначала приобретают квадрокоптеры, чтобы на более дешевых и простых дронах проверить пользу от получаемой с их помощью информации. Когда экономический эффект становится очевиден, приобретаются дроны самолетного типа, как более производительные. То есть квадрокоптеры и дроны самолетного типа не взаимоисключают, а дополняют друг друга.

ГлавПахарь. Какие датчики применяются при дистанционном зондировании и в каком виде представляется информация для пользователя? Насколько она является простой для восприятия?

Александр Алехин. Если говорить про съемку с дронов в сельском хозяйстве, то здесь в основном применяются два типа камер: оптические и мультиспектральные. Съемка в оптическом диапазоне позволяет создавать высокодетальные ортофотопланы полей, цифровые модели рельефа и 3D-модели инфраструктурных объектов.

Мультиспектральная съемка нужна для создания индексных карт вегетации (NDVI и др.), анализ которых позволяет отслеживать состояние посевов, а последующая обработка создавать файлы-предписания для управления сельхозтехникой.

Если говорить об итоговом результате обработки, то стоит отметить, во-первых, скорость его получения. Используя специально оптимизированные под нужды сельского хозяйства алгоритмы, программа Pix4D Fields позволяет получать результат прямо в поле, обрабатывая полученные снимки не на самом мощном ноутбуке. Во-вторых, и ортофотопланы, и индексные карты довольно наглядны, и, имея минимальный опыт работы с ними, можно сразу выделять проблемные участки и принимать по ним решения.

ГлавПахарь. Какое влияние оказывают метеоусловия (ветер, дождь, туман, давление) при сборе информации при помощи дронов?

Александр Алехин. Дроны, как и любая авиационная техника, чувствительны к метеоусловиям. Сильный ветер (более 11-12 м/с), осадки и туман делают съемку невозможной. К счастью, в любую непогоду бывают «окна», когда взлет все же возможен, и в отличие от спутниковой съемки, облака не являются помехой для дронов. Специальные сенсоры и ПО позволяют получать калиброванные значения яркостей вне зависимости от времени суток и условий освещенности. Например, в сенсоре Parrot Sequoia+ есть встроенный фотометр, который автоматически калибрует данные мультиспектральных сенсоров. То есть вы можете сравнивать между собой данные, полученные в облачные и в солнечные дни.

ГлавПахарь. Может ли хозяйство приобрести дрон и проводить исследования полей самостоятельно? Необходимы ли какие-либо специальные разрешения? Насколько сложным является этот процесс?

Александр Алехин. Да, хозяйство вполне может приобрести и использовать дрон, если его сельхозугодья не прилегают вплотную к аэропортам или военным частям. В этом и прошлом году в силу вступили несколько законопроектов, регулирующих как учет дронов, так и использование воздушного пространства. Если раньше это был практически неразрешимый ребус, то сейчас все постепенно сводится к простой регистрации дрона в Росавиации (если его взлетная масса больше 250 г), и к понятному алгоритму получения разрешений на полеты, если вы регулярно снимаете одну и ту же территорию.

Помимо законодательства существует множество форумов и сообществ операторов БПЛА, где можно узнать об особенностях полетов в определенных областях и районах. Например, есть интерактивная карта использования воздушного пространства РФ (ИВП РФ), на которой показаны закрытые для полетов зоны около военных объектов и аэропортов, а также приведена информация о зональных центрах единой системы организации воздушного движения (ЗЦ ЕС ОрВД) и диспетчерских пунктах, которые отвечают за выдачу и отзыв разрешений на полеты.

Также хорошая новость заключается в том, что сейчас при полетах на высоте до 150 м и в условиях прямой видимости дрона, разрешения на ИВП получать не нужно. Нужна только регистрация беспилотника в Росавиации.

ГлавПахарь. Как осуществляется навигация дрона в поле, а также последующая обработка полученных данных? Обычно предлагается специализированное программное обеспечение, а что предлагает Ваша компания?

Александр Алехин. Большую часть времени дроны летают в автоматическом режиме, выполняя загруженную в них программу. Каждый производитель дронов предоставляет своё ПО для создания полетных заданий и контроля выполнения полетов. Например, вместе с самолетами senseFly вы получаете приложение eMotion Ag, которое позволяет:

• загружать KML-файлы с границами полей и автоматически строить маршруты в соответствии с границами и высотами;
• мышкой создавать и редактировать полетные задания в виде визуальных блоков на карте;
• задавать минимальное количество параметров съемки: перекрытие и детализацию, все остальные значения рассчитываются автоматически;
• получать телеметрию с летающего дрона и контролировать полет;
• готовить данные к последующей обработки в Pix4D Fields и экспорту в агроплатформы.

Визуальный конструктор и минимум настроек позволяют быстро запустить дрон и свести к минимуму время, затрачиваемое на планирование полетов и управление данными.

После того, как снимки получены, их нужно обработать в специализированном ПО. Нашим клиентам мы предлагаем решения от компании Pix4D, которые позволяют обрабатывать съемку как оптическими, так и мультиспектральными камерами.

Программа Pix4D Fields создана для работы с данными точного земледелия и предоставляет следующие возможности:

• быструю обработку изображений и создание карт прямо в поле;
• построение ортофотопланов, цифровых моделей местности и индексных карт (NDVI, NDRE и др.);
• совместную работу с картами и аннотациями;
• создание файлов-предписаний для бортовых компьютеров сельхозтехники (автопилотов);
• экспорт полученных данных в платформы по управлению сельхозпредприятием.

И если программы для программирования и управления дронами у каждого производителя свои, то ПО Pix4D позволяет обрабатывать и сводить воедино данные, полученные с разных БПЛА.

ГлавПахарь. Возможно ли при помощи Вашего оборудования осуществлять анализ почв на предмет содержания микро- макроэлементов? Расскажите, что Вы считаете о возможностях и перспективах такого направления?

Александр Алехин. Если вы говорите об агрохимическом обследовании поля, то это не наша специализация. Агрохимическое обследование связано с отбором и лабораторным анализом проб, который позволяет точно определить кислотность почвы, содержание в ней гумуса, микро- и макроэлементов. Цель — понять, в какую часть поля сколько удобрений вносить. Прямые измерения — самое правильное решение этой задачи, но проблема заключается в том, что большинство полей неоднородны, и для получения точного результата нужно иметь большую плотность отбора проб (условно, брать пробу с каждой сотки земли). И это делает такое обследование очень дорогостоящим.

Есть альтернативный подход к расчету удобрений — по зонам продуктивности (участками поля с разными показателями урожайности). Существует связь между урожайностью отдельных участков поля и вегетационными индексами на разных стадиях развития растений. Эта связь позволяет по значениям индексов определить урожайность каждого участка поля.

На участках с высокой урожайностью вынос питательных элементов больше, а на участках с низкой урожайностью — меньше. Учитывая этот факт, фермер может точно определить дозу удобрений для каждого участка поля.

Помимо дифференцированного внесения мы рекомендуем дополнительно изучать участки с низкой продуктивностью. Необходимо определить фактор, ограничивающий урожайность, и в ряде случаев дело не в недостатке удобрений. Ограничивать урожайность может как содержание минеральных веществ, так и, например, распределение влаги на поле. Поэтому мы рекомендуем начинать с анализа рельефа и яркости почвы, которая говорит о содержании органики в почве. И в этом вопросе мы предоставляем фермерам и агрономам всю необходимую информацию для анализа и принятия решений:

• точную 3D-модель рельефа, которую можно преобразовать в карту уклонов, построить горизонтали с заданным шагом, рассчитать бессточные области и направления поверхностного стока;
• индексные вегетационные карты на разных стадиях развития растений, преобразуемые в файлы предписаний для дифференцированного внесения.

ГлавПахарь. Спасибо за очень интересную и содержательную беседу!