ГИС-ТЕХНОЛОГИИ И БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ НА СЛУЖБЕ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА.

ГИС-ТЕХНОЛОГИИ И БЕСПИЛОТНЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ НА
СЛУЖБЕ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА.
Камбулин В.Е., Бадаев Е.А., Болтаев М.Д. – сотрудники отдела карантина
растений, ТОО «КазНИИ защиты и карантина растений»
Вся информация в сельском хозяйстве имеет пространственную привязку, поэтому
географические информационные системы являются наиболее эффективным средством
сбора и обработки информации в отрасли.
Системы, включающие методы дистанционного зондирования, широко
используются в Канаде, США, Странах ЕС, Индии, Японии, Китае и др. Зарубежный опыт
убедительно подтверждает, что съемки из космоса дают возможность улучшить качество
сельскохозяйственной статистики, повышая точность, однородность, объективность и
частоту наблюдений и позволяют существенно усовершенствовать методы оперативного
контроля состояния посевов как в глобальном, так и локальном масштабе.
Геоинформационные технологии, компьютерные модели прогноза развития
вредителей, болезней и сорняков позволяют принимать более обоснованные решения по
защите растений.
В практике защиты растений в Германии уже сегодня успешно применяются такие
компьютерные модели, как CIMERC для определения необходимости обработки зерновых
фунгицидами против возбудителя ломкости стеблей, SIMERY – против возбудителя
мучнистой росы, SIMSIT – для определения необходимости обработки зерновых
инсектицидами против тлей, SIMPHYT – для определения необходимости обработки
картофеля против возбудителя фитофтороза и SIMLEP – для определения необходимости
обработки картофеля инсектицидом против колорадского жука.
Расширяются работы по оказанию информационных услуг сельхозпроизводителям
на базе информационно-телекоммуникационных технологий и беспилотных платформ.
Аналогичные работы начаты в РФ в 1999 г. Создан рабочий макет отраслевой системы
спутникового мониторинга для получения первичных данных и производных цифровых
материалов. Разработана общая структура Федеральной отраслевой ГИС.
На Украине посредством использования спутника сверхвысокого разрешения
(World View) уже получена информация о 35-40% территории.
Одно из самых развитых направлений в мире – дистанционное зондирование
сельскохозяйственных объектов. Применение снимков в сельскохозяйственных целях
чрезвычайно разнообразно, но особенно следует выделить две области: оперативную
оценку хода сельскохозяйственных работ и агротехнических мероприятий, состояния
посевов и пастбищной растительности.
Третьей областью, которая активно исследуется в индустриально развитых странах,
следует считать аэрокосмическую съемку, направленную на оценку заселенности
территории вредителями и болезнями и наносимых ими потерь урожаю.
В Канаде проведено обследование посевов фасоли на пораженность бактериальной
пятнистостью и корневой гнилью при помощи инфракрасной аэрофотосъемки с
одновременными наземными обследованиями. Съемку проводили с высоты 2 км на
инфракрасную пленку аэрохром 2443. При обследовании с воздуха 65 полей было
выявлено, что 51 поле поражено бактериальной пятнистостью.
Показана возможность использования фотографий с воздуха в инфракрасном свете
для предуборочной оценки урожая корней сахарной свеклы, пораженных корнеедом.
Кембриджское объединение по аэрофотосъемке, использует одномоторный
самолет Аустер, оборудованный 4 фотокамерами с черно-белой, цветной и инфракрасной
фотопленкой. С самолета выявляется фитофтороз картофеля, желтая ржавчина пшеницы.
С каждым годом возрастает количество летних часов проведения аэрофотосъемки: с 80
часов в 1970 г., до 200 в 1975 г.
В 1975 - 1976 гг. проведена аэрофотосъемка посевов гороха в провинции Онтарио
(Канада), пораженных корневой гнилью на пленку Кодак аэрохром 2443 формата 23,75
см. при помощи распознающего механизма IBM провели оценку фотографий 12 полей. С
учетом результатов опытов о потерях урожая и процента площади, занятой пораженными
растениями на полях анализируемых методом аэрофотосъемки потери урожая гороха
оценены в 22,7%.
Изучались возможности применения цветной инфракрасной и аэрофотосъемки для
оценки потерь урожая арахиса по степени пораженности растений склеротиниозом.
Съемки проводились в сентябре 1976 г. с высоты 3811 м (масштаб 1:25000) аэрокамерой
RC-8 (фокусное расстояние 152,4 см) с фильтром 12 AV/52500, с применением обратимой
инфракрасной цветной пленки. Учеты показали высокую корреляцию потерь урожая с
пораженностью растений болезнью, а инфракрасная аэрофотосъемка может быть быстрым
и точным методом оценки потерь урожая арахиса от болезней.
В канадской провинции Саскачеван разрабатывают систему управления
популяциями саранчи, основанную на экологических и экономических принципах. В
основе системы лежит количественная оценка потерь урожая зерновых культур с
помощью инфракрасной аэрофотосъемки. На основе наземных наблюдений разработаны
ключи, позволяющие отличить повреждения саранчи от других видов повреждений
(эрозия, засоленность и др.) Затраты на аэрофотосъемку составляют 10% от затрат на
наземные обследования. В 1976 - 1977 гг. в 2-х местностях проводили аэрофотосъемку
посевов пшеницы с высоты 2400 м 35 мм фотоаппаратом «Пентакс» и 70 мм «Тайнером» в
июне и июле, через каждые две недели. На снимках, участки поврежденные саранчой
были бледно-красного цвета, а неповрежденная пшеница была темно-красной.
В Восточной Англии проводили аэрофотосъемку посевов озимой пшеницы.
Полеты совершали на самолете Auster Л6/180, оборудованным 4 автоматически
открывающимися камерами Hasselblad 500 ELM с 50 мм линзами. Фотографировали с
высоты 300-760 м с использованием черно-белых аэрофотопленок: панхроматической
(Кодак 2645) и инфракрасной (Кодак 2424). С помощью анализатора изображенной
вычисляли площади поражения культуры вирусом желтой карликовости ячменя и
злаковой тлей, которые варьировали на отдельных полях от 2 до 38%.
Изучается возможность применения аэрофотосъемки с последующей ее
расшифровкой и анализом с помощью компьютера для определения болезней растений,
распространяющихся через почву.
В работах профессора Фосса с соавторами указывается, что данные о состоянии
естественной и культурной растительности следует оценивать с разрешением 1,7-16,0
кв.км. Для этого анализируются материалы космических съемок масштабом 1:100000,
получаемых со спутников Landsat, SPOT и Meteosat, которые используются также для
контроля за растительностью и осадками. Специальная работа проводится Германским
центром технической кооперации (CTZ) по программе ФАО для идентификации районов
размножения и борьба с саранчовыми в Африке. Информация обобщается в карту с
помощью цифровой системы образов ERDAS PC 386/33 Mhz 640 мегабайт, печатающего
устройства, имеющего 6250 бит на дюйм, цветного сканнера (300 бит на дюйм) и
цифрового планшета 36’’ х 24’’. Такие карты созданы для дельта Токара (Судан) и
некоторых территорий Мали и Мавритании, что позволило специалистам правильно
предсказывать почти все районы размножения саранчовых в течение зимнего сезона 19931994 гг. без проведения дорогостоящих наземных обследований.
В связи с этим, класс ГИС по защите растений преобразуется со временем из
локальной в региональную, а затем в республиканскую. Масштабы РК и наличие
уникальных почвенно-климатических условий диктуют необходимость проведения таких
исследований.
Дистанционное зондирование и оценка фитосанитарного состояния агроландшафтов
и агроэкосистем на базе геоинформационных технологий, данных космической съемки и
использования беспилотных летательных аппаратов позволит уточнить ареалы вредных
организмов, провести космический мониторинг и дать оценку степени засоренности
агроэкосистем и их пораженности вредителями и болезнями, создать компьютерную базу
данных (БД) и информационно-поисковые системы (ИПС), адаптировать методы
дистанционной диагностики состояния посевов для разных почвенно-климатических зон
республики.
Трансферт этих технологий позволит поднять уровень исследовательских работ,
снизить влияние человеческого фактора, реализовать большие потенциальные
возможности агропромышленного комплекса республики для производства экологически
чистой продукции растениеводства и животноводства.
Реализация проекта позволит сотрудникам Департамента защиты и карантина
растений МСХ РК, ГУ «Республиканский методический центр фитосанитарной
диагностики и прогнозов», РГП «Фитосанитария», Комитета государственной инспекции
в АПК МСХ РК на качественно высоком уровне использовать рекомендации,
методические указания по трансферту информационных технологий, приобретать и
использовать базы данных спутников и беспилотных платформ.
Государственные служащие, студенты ВУЗов и колледжей сельскохозяйственного
профиля, землепользователи (товаропроизводители) получат свободный доступ для
использования информации через веб-сайт нашего учреждения.
Эффективно бороться с вредными объектами и значительно сократить финансовые
и материальные затраты можно на основе достоверной информации о фитосанитарном
состоянии посевов. Поэтому крайне необходимо постоянно совершенствовать методы и
технологии получения, хранения, накопления и анализа данных фитосанитарного
мониторинга и осуществлять трансферт прогрессивных зарубежных технологий.
Геоинформационные технологии, компьютерные модели прогноза развития вредителей,
болезней и сорняков позволяют принимать более обоснованные решения по защите
растений.
Трансферт этих технологий позволит поднять уровень исследовательских
работ, снизить влияние человеческого фактора, реализовать большие потенциальные
возможности агропромышленного комплекса республики для производства экологически
чистой продукции растениеводства и животноводства.
В связи с этим необходимо изыскать такие методы дистанционного зондирования,
которые бы обладая высокой информативностью, приемлемым качеством снимков и
быстротой получения информации, оставались бы доступными в финансовом плане.
С 2011 году нами по линии МОН РК проводятся исследования по проекту:
"Дистанционное зондирование и оценка фитосанитарного состояния агроландшафтов и
агроэкосистем".
Целью проекта является создание системы фитосанитарного мониторинга c
регулярно обновляемой базой данных и информационно-поисковой системы по особо
опасным, транссмиссивным и карантинным вредителям, сорным растениям и болезням
сельскохозяйственных культур и угодий, анализируемых в режиме реального времени на
основе
динамических
материалов
дистанционного
зондирования
Земли,
геоинформационных технологий
с использованием лицензионных программных
продуктов ArcGIS, данных глобального позиционирования и беспилотных летательных
платформ в целях оценки фитосанитарной ситуации, что позволит определить
экономическую целесообразность проведения химических обработок против вредных
организмов или их отмены.
В результате проработки различных источников было установлено, что
оптимальным решением данной задачи является съемка с малых высот от нескольких
десятков до сотен метров. Таким условиям удовлетворяла съемка с использованием
радиоуправляемых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Стоит отметить, что технология аэрофотосъемки с БПЛА в значительной степени
отработана. В настоящее время большая часть существующих и эксплуатируемых БПЛА
предназначены для воздушной армейской
разведки и наблюдения, которые
осуществляются с помощью фото- и видеосъемки. Прорабатывались различные варианты
и велись переговоры с известными фирмами изготовителями ООО НПК «Йена
Инструмент», ООО «Беспилотные системы ЗАЛА АЭРО», ООО «Аэрос», корпорация
«Иркут», СУНКАР (YAK ALACON) и др. Однако, готовые комплексы БПЛА от заводов
изготовителей оказались весьма дорогостоящими и приобретение кого либо из них не
представлялось возможным из-за недостаточного финансирования исследований.
Поэтому было принято решение изготовить аппарат на базе аэроклуба с привлечением
инженеров-авиамоделистов.
Предварительные испытания аппарата позволили отработать многие технические
вопросы и проблемы, в результате
был сконструирован пилотный вариант
аэросъемочного
комплекса «Гексакоптер», с полуавтоматическим управлением
специализированный на проведении фитосанитарного мониторинга на малых и сверх
малых высотах по цене значительно уступающего промышленным аналогам. В состав
комплекса входит высокотехнологичный полетный контроллер со всеми современными
видами датчиков, этот аппарат, посредством компьютерного программного обеспечения
проектирует маршрут передвижения БПЛА прямо на цифровой карте местности.
Двухсторонний радиоканал позволяет принимать данные с БПЛА и передавать команды
управления. Для визуального контроля используется установленная ходовая камера с
передачей изображения в реальном времени на землю.
В качестве экрана для
воспроизведения этого изображения используются специальные видео-очки. Для съемки
применялся фотоаппарат типа Canon Power Shoz S100, прибор глобального
позиционирования Garmin GPS 18x USB и ноутбук. Для подзарядки батарей БПЛА в
полевых условиях
применялся преобразователь напряжения от автомобильного
аккумулятора с выходом на 220 V.
Полевые исследования проведены в июле, августе и сентябре 2012 года – в период
созревания зерновых, а также непосредственно после уборки урожая. Выбор тестовых
полевых полигонов был выполнен с соблюдением следующих критериев: схожесть
физико-географических условий, равнинный рельеф, свободный доступ к полигонам,
нахождение очагов распространения особо опасных растений и т.д. В ходе
подготовительных работ были определены координаты углов снимаемого полигона,
проведены расстановка и координирование характерных точек на местности, которые при
дальнейшей обработке снимков
служили опорными для привязки фотоплана к
географическим координатам. Для обеспечения преемственности вновь полученных
данных со старыми картами установлена привязка опорных точек к существующим
триангуляционным пунктам Государственной Географической Сети. Облет исследуемых
полей БПЛА проходил на 60% высотах 50, 40, 30, 20 и 10 метров, с 30% перекрытием
соседней полосы облета и продольным, с частотой съемки в 2 секунды. Наиболее
приемлемыми в плане распознавания и последующего дешифрирования тест - объектов
на аэрофотоснимках оказались высоты 20 и 10 метров. Однако, при высоте в 10 метров
площадь проективного покрытия камеры была небольшой, что отразилось на
производительности проведения аэросъемки и дешифрировании снимков.
Основной идеей при разработке методики аэросъемки являлось проведение
одномоментных исследований при помощи наземного описания и маршрутного облета
БПЛА и их сопоставления для возможности идентификации на снимке. В ходе наземного
обследования были обследованы дополнительные точки – места обнаружения сорных и
особо опасных растений (160 точек GPS). Координаты точек были занесены в
разработанный нами бланк описаний. Данные обследования БПЛА в виде снимков с
координатами, после объединений в единую картину перекрывающихся сцен с
геопривязкой, координаты углов полей, координаты точек маршрутных обследований и
атрибутивные данные в виде полевых описаний были загружены в ГИС.
Камеральные работы заключались в выполнении цикла работ, направленных на
изучение дешифровочных признаков фитосанитарного состояния полей и оформления
картографических материалов. Была проведена предварительная классификация снимков
с БПЛА с использованием алгоритма Iso Data в программном продукте ENVI 4.7 с
разделением на 5 классов подстилающей поверхности. Существуют различные способы
создания подобных карт: на основе классификаций управляемых (с эталонами) и
неуправляемых (без эталонов), на основе различных индексов, технология Tasseled Cаp,
методом экспертного дешифрирования и т.д. Наиболее оптимальным методом проведения
дешифрирования снимков Landsat TM был выбран комплексный подход, сочетающий в
себе все перечисленные методы. Определение фитосанитарного состояния по данным
снимкам оказалась весьма затруднительна, прежде всего из-за отсутствия
блежнеинфракрасного канала у снимающей камеры и недостаточной изученности
спектрального профиля сорных растений. Все перечисленные недостатки будут изучены и
предприняты попытки их устранения
в ходе исследований, в частности на
«Гексакоптер», планируется установить спектральную камеру ADC Lite.
В результате первого года исследований, с использованием
программного
продукта ESRI ArcGIS 9.3, создана единая ГИС, которая содержит различные по своим
характеристикам и назначению растровые и векторные данные фитосанитарного
состояния проектной территории.
Известно, что разведку кулиг личинок следует проводить в ясные, без облачные
дни в течение 2-3 часов после выхода солнца и 2-х часов перед его заходом. В это время
саранчуки сидят на верхушках растений плотными массами и бывают хорошо видны
издалека. Поздним утром и ранним вечером разведка не дает нужных результатов, так как
личинки находятся на почве и плохо видны. В пасмурную погоду на растениях остается
лишь незначительная часть саранчуков и их трудно различить даже с небольшой высоты.
В периоды с низкими суточными температурами и ясной погодой (что часто бывает после
прохождения дождей) время разведывательных работ может быть увеличено, в очень
жаркие дни, напротив, сокращено.
В ясную погоду большие (занимающие в площадь, несколько десятков гектаров)
кулиги азиатской, итальянской или марокккой саранчи хорошо видны с высоты до 500 м
(как правило, они имеют вид темных пятен). Со 100-150 м отчетливо заметны небольшие
кулиги (площадью несколько десятков метров) всех видов стадных саранчовых. Они
представлены четкими темными пятнами на светлом фоне растительности. Пятна в
зависимости от вида и возраста саранчи имеют различную окраску. Кулиги, состоящие из
личинок I-II возрастов в черную, III-IV возрастов азиатской саранчи – красноватокоричневую, мароккской саранчи – темно-коричневую, итальянской и пустынной саранчи
– тесно-серую. С 20 м видны отдельные саранчуки старших возрастов и взрослые особи,
сидящие на растениях, а так же кулиги, совершающие миграцию по почве.
Со сравнительно большой высоты (более 200 м) очень похожими на кулиги
выглядят участки с выгоревшей растительностью, куртины некоторых видов растений и
т.д. поэтому, обследование следует проводить (во избежание ошибок) с оптимальной
высоты. Разведывать с самолета и вертолета можно только кулижную саранчу,
находящуюся в состоянии стадной фазы, до 4-го возраста личинок, однако, сегодня
применение авиации обходится слишком дорого и, кроме того требует дополнительных
затрат на оборудование посадочных полос, охраны, ежедневного медицинского
обследования экипажа и т.д.
В 2013 году 22 и 27 апреля нами впервые была проведена съёмка с БПЛА стаций
обитаний марокской саранчи в Сарыагашском районе (Берликский сельский округ)
Южно-Казахстанской области. Полученные аэрофотоснимки
позволили без их
дешифрирования визуально определять распределение кулиг саранчи младших возрастов
на естественных пастбищах. Данные исследования дают возможность оценивать реальные
объемы применения пестицидов против вредных организмов, субсидируемых из
республиканского бюджета и оценивать их эффективность в режиме реального времени.