Пути повышения качества семенных посадок оригинального топинамбура за счет бесконтактного распознавания больных растений

Обнаружение болезни растений Топинамбур, как и другие культуры подвергается заболеваниям. Большинство болезней визуально проявляется на наземной части топинамбура: в первую очередь на листьях. Это мучнистая роса, септориоз, склеротиния и ряд других. Технологически бороться с ними традиционными методами сложно из высоты растений до 3,5−4 метров и высокой плотности посадок, что затрудняет фитопрочистки. В то же время больных растений, как правило, не много и массово применять традиционные опрыскиватели не обязательно. Операции по распознаванию болезней должны осуществлять в сплошную, а применение мер-точечно. Эффективным приемом в такой ситуации может быть использование беспилотников с видиозаписью посадок с координатной привязкой к местности, анализом видеоснимков и последующим принятием решения по удалению растения.

Основные методы, используемые для обнаружения болезни растений, представлены на рисунке.

Иллюстрация методов обнаружения болезни растений в зависимости от стадии ее развития На начальной стадии заболевания растений флуоресценция является наиболее подходящим методом, так как можно оценивать состояние растения по продуктивности фотосинтеза. По мере развития метаболических изменений, грибок начинает, распространяется радиально вокруг своей точки инфекции. Инфицированные участки растения подвергаются некрозу: теряют пигментацию, прекращается процесс фотосинтеза и клеточные стенки разрушаться. В этот момент инфицированные участки становятся видимыми.

Некроз — это отмирание клеток и образование участков отмершей ткани, происходящее под действием токсинов патогенна, либо неблагоприятных абиотических факторов (высокие и низкие температуры, недостаток влаги, химические вещества и т. п.). При некрозах в клетках происходят необратимые изменения, которые приводят их к гибели. Некроз может быть общим или местным. Общий некроз характеризуется отмиранием всего растения или его большей части. Он наблюдается при таких болезнях, как сосудистый микоз ильмовых и дуба, когда патоген распространяется по всему растению и вызывает его отмирание. Местный, или локальный, некроз обычно ограничен в своем распространении и чаще проявляется в виде отдельных отмерших пятен на листьях, стеблях, плодах, либо формирования раковых язв, ступенчатых ран и т. п.

Анализ отраженного света может помочь в обнаружении инфекции. Например, может быть обнаружен возбудитель пропагулы в видимом спектре (в зависимости от возбудителя); деградация хлорофилла и покраснение кромки (550 нм; 650−720 нм); старение в диапазоне (680−800 нм) из-за потемнения (1400−1600 нм и 1900;2100 нм) из-за сухости; изменения плотности полога и листовой поверхности в NIR.

В то время как болезнь постепенно поражает все растение, оно испытывает сильный стресс, который ведет к общему закрытию устьица, в целях сокращения потерь воды. Это изменение в транспирации можно контролировать с помощью термографии. Однако температура листьев быстро меняются, и в значительной степени зависит от температуры окружающей среды, освещения и ветра. Следовательно, в связи с изменением экологических факторов, термография дает не точные результаты. Рассмотренные методы дают более надежные результаты, когда болезнь полностью развилась и инвазии являются высокими. Очевидно, что некоторые изменения в спектральных характеристиках растений делают возможным использовать оптические сигналы для обнаружения присутствия заболеваний сельскохозяйственных культур.

Эффективность выявления заболевания во многом зависит от алгоритмов, используемых для обработки данных. Для каждой болезни растений гиперспектральные способы визуализации могут быть использованы для упрощения и автоматизации обнаружение заболевания. Это может быть основано на использовании простых алгоритмов или нейронных сетей, например. [54, 55, 56, 57, 58], которые использовали алгоритмы анализа изображений для различения между фоном и пшеничной массой (на основе отражательной способности в диапазоне 675 нм и 750 нм), а затем по классификации комбинаций спектральных диапазонов различать здоровые ткани листьев и участков озимой пшеницы, пораженных желтой ржавчиной [59].

Дальнейшее улучшение систем обнаружения болезни растений, может быть достигнуто в результате объединения мультисенсорных спектральных и флуоресцентных методов [56]. Преимущества, недостатки и лучшее потенциальное использование рассмотренных сенсорных технологий приведены в таблице 4.

Таблица 2 — Сенсорные технологии для обнаружения болезни растений.

Потенциальные спектральные методы для выявления заболевания растений Имеется ряд показателей, по которым с помощью технических средств может быть обнаружена болезнь растений. Для обнаружения болезни растений могут быть использованы электромагнитные волны. Обычно опираются на гипотезу, что электромагнитные волны взаимодействуют со здоровыми растениями (поглощение, отражение, флюоресценция) по-другому, чем зараженные растения. У растений различные оптические свойства. Некоторые из них могут быть обнаружены невооруженным глазом, для обнаружения других необходимы сложные технические средства. Световые методы измерения очень полезны для обнаружения этих свойств.

Анализ спектра, отраженного от растений света, выходящего из кроны после нескольких взаимодействий, т. е. отражений, трансмиссий, и поглощения, с тканями растения позволяет обнаружить заболевание растений. Это диффузно отраженное излучение образует образ растения в форме функции, описывающей соотношение интенсивности отраженного света к поступившему на растение света для каждой длины волны в видимом (400−700 нм), ближнем инфракрасном (700−1200 нм) и коротковолновом инфракрасном (1200−2400 нм) диапазоне спектра.

Взаимодействие электромагнитного излучения с растениями изменяется с длиной волны излучения. Здоровые листья обычно имеют:

— Низкий коэффициент отражения в видимом спектре обусловлен сильным поглощением светочувствительными пигментами (хлорофиллы, антоцианы, каротиноиды).

На рисунке можно наблюдать, как облучение поглощается [60].

Высокая отражательная способность в ближнем инфракрасном спектре обусловлена многократным рассеянием.

Низкий коэффициент отражения в широком коротковолновом инфракрасном (1200−2400 нм) областях спектра обусловлен поглощением излучения водой, белками и другими компонентами углерода [61, 62].

Схематическое изображение отражения и пропускания излучения через слои растения (горизонтальные линии) пронумерованные в видимом и ближнем ИК регионах соответственно навес и очень мало излучения освобождается, особенно от нижнего слоя Из-за их высокого содержания воды (излучательная способность от 0,97 до 0.99), здоровые листья ведут себя подобно «черному телу» и излучают в тепловом инфракрасном диапазоне (TIR?10 м) в соответствии их температурой.

Изменения отражательной способности листьев растений можно объяснить изменением состава листьев. Болезни могут повлиять на оптические свойства листьев при многих длинах волн. Таким образом, болезнь может быть обнаружена на основе спектральных измерений в различных диапазонах длин волн или комбинации диапазонов.

Здоровые растения кажутся зелеными, поскольку зеленый свет (около 550 нм) отражается более эффективно по сравнению с синим, желтым и красным, которые поглощаются фотоактивными пигментами.

Использования беспилотных квадрокоптеров для оценки качества посадок оригинального топинамбура Системы точного земледелия значительно облегчают работу сельхозпроизводителям, повышают ее эффективность, сокращают затраты. Но в России технология точного земледелия только развивается. Внедрению мешают дороговизна компонентов, не всегда высокая квалификация персонала и отсутствие достаточного количества современной техники.

Принципиальное отличие от обычного земледелия состоит в том, что технология точного земледелия рассматривает каждое сельскохозяйственное поле как неоднородное. Поле разделяется на некоторое количество однородных участков — новых единиц управления. Для получения с данного поля максимального количества качественной продукции на каждой новой единице управления необходимо с помощью варьирования уровня технологического воздействия создать оптимальные условия для произрастания растений. Новые информационно-измерительные и вычислительные технологии позволяют обнаруживать болезни и вредителей топинамбура по визуальному анализу цветных изображений, полученных с квадрокоптеров с фиксацией с помощью GPS/ГЛОНАСС границы выявленной неоднородности, т. е. точно определять нахождение на поле больных растений.

Известно, что условно точное земледелие можно разбить на три этапа: сбор данных, анализ данных и принятие решений, выполнение агротехнических операций в поле. Сбор данных включает в себя создание электронных карт полей болезней растений с привязкой к местности.

Наибольшее распространение в России получили различные навигационные технологии (все, что связано с автопилотированием). позволяющие дифференцированно вносить удобрения, по-прежнему внедряются слабо, именно здесь аграриям нужна поддержка, без нее технология не будет развиваться. Хуже дела обстоят с дозированным внесением СЗР, эти компоненты в российском АПК практически не используются.

Исследования показали, что стебли топинамбура достигают высоты 3,5 метров, при этом плотность растений достигает 5 шт/га. и более. Очевидно, что защитная обработка полей при такой высоте растений затруднена. В то же время топинамбур устойчивая к болезням культура и больные растения в семеноводстве топинамбура — редкость. В то же время на посадках для производства кормов и топинамбура для переработки возможны проявления болезни склеротиния, поэтому важно отслеживать посадки топинамбура. Для таких целей может подойти квадрокоптер с дистанционными цветными видеозаписями с привязкой к местности для визуального анализа снимков. В перспективе предлагается использовать современные — мини-вертолеты (гелиокоптеры) для опрыскивания полей защитными препаратами. Топинамбур может подвергаться поражению грибными, бактериальными и вирусными заболеваниями. Наиболее часто встречаются: ложная мучнистая роса, септориоз, белая гниль, склеротиния.

Система семеноводства топинамбура, описанная в 1 главе, надежно защищает посадки с оригинальным и элитными семенами. Защитить свои насаждения от вредителей мечтает каждый производитель. А если общая площадь полей большая, и вручную обработать ее не получается, то целесообразно использовать беспилотники, которые можно в перспективе использовать для фитопрочисток посадок, а репродукционные посадки защищать от болезней. Для этих целей предлагается использовать современные беспилотники самолеты и мини вертолеты с навигацией, видеокамерами и устройством, которое поможет распылять пестициды на поля с воздуха по команде оператора. Преимущества использования такой техники заключается в том, что она может использоваться не только для распыления защитных препаратов, но и контролировать посадки и своевременно определять сроки обработки и конкретные участки, которые нужно обработать.

Установленная на квадрокоптере видео камера позволяет сделать видеосъемку посадок топинамбура. Анализ видеосъемки позволяет оценить обстановку и определить болезни и их распростроненность. Детальный просмотр растений, например, листьев позволяет, немедленно проанализировать фотографию, принять необходимые меры для подтверждения потенциального заболевания и принятия соответствующих действий по устранению больных растений.

Видеобиблиотека сорной растительности, вредителей и болезней на посадках топинамбура.

Сорняки.

Аистник (Erodium cicutarium). /Семейство гераниевые. /Geraniaceae/. /Цветение. /Снижение численности в 2014 г.

//Незабудка полевая Д./Myosotis arvensis (L.) Hill./Boraginaceae /140 514. /Высота 10 — 15 см длины. Доминирует в большинстве случаев.

//Ромашка.

//Тысячелистник (ЛP)./Achillea millefolium L./Compositae. /140 514. /Распространение незначительное.

Чистотел (ЛР).

Опылители.

//Дневной павлиний глаз И /100 712. /2013. — 2014. — численность на одном уровне.

/Шмели И /200 512. И. /130 612. /180 712 И /Топинамбур./Цветы. /140 514. Имаго. /Единично.

Энтомофаги.

//Пикромерус И. /Клоп хищный. /200 512. /На полыни. /30 712. /На топинамбуре. /140 514. Имаго. /2013. — 2014. — численность на одном уровне.

Вредители.

//Бронзовка. И. /300 512. /140 514. Имаго. Нарастание численности в 2014 г.

/ /Клоп свекловичный. И. /300 512 /180 712 И /Топинамбур. /Цветы. Последовательное снижение численности в 2013 и 2014 гг.

/Пяденицы /Г /И. /90 612. /70 712. /Фото. /2013. — 2014. — численность на одном уровне.

/Саранчовые.

/Щелкуны /И. /90 612. /210 612.

Фото септориоза из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку.

Фото мучнистой росы из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку.

Фото склеротинии из библиотеки болезней топинамбура для визуального распознавание болезней по видеоснимку Предложенный способ не нуждается в сложных алгоритмах и дорогом оборудовании для обработки изображений и поэтому может быть легко реализован с использованием языков программирования Java или С.

Визуальное распознавание болезней по видеоснимкам наиболее эффективно при наличии библиотеки снимков болезней.

Для исследования возможностей БПЛА (беспилотных летательных аппаратов проводятся на аппаратах ГеоСкан.

В связи с их высокой стоимостью и необходимостью решить относительно простую задачу провести видеосъемку поля и получить видеозаписи, работа проводилась на Квадрокоптере DJI Phantom 3 Professional. Затем проводился анализ видеоматериалов и сравнения их с библиотекой болезней.

Технические характеристики:

Размер53 см Дальность2000 м Время полета25 мин Пульт работает от.

АКБ Li-Po 7.4V 6000mAh.

Длинна: 350 мм.

Ширина: 350 мм.

Высота: 190 мм.

Время полёта — до 23 мин Дальность полёта — до 3.5 км Масимальная скорость полета — 58 км/ч Максимальная высота полёта — до 6 км Эффективные пиксели — 12.4 Мп Автопилот — есть Навигация — GPS/ГЛОНАСС Режим видеозаписи — UHD: 4K 4096×2160.

Для организации управляющих воздействий можно использовать небольшой беспилотный вертолет, к которому прикреплен бак с химическим веществом для опрыскивания полей. Два винта помогают конструкции подняться в воздух, совсем как настоящий геликоптер. Если вдруг случится аварийная ситуация, то при падении винты замедлят движение и устройство плавно опустится на землю.

Запускать вертолет в воздух нужно при помощи пульта управления. Набор определенных команд заставляет устройство автоматически выполнять все руководства человека и успешно возвращаться обратно на землю.

Авиационный способ обработки сельскохозяйственных и лесных угодий имеет преимущества перед на — земным по производительности, возможности обрабатывать поле с увлажненной почвой, отсутствию механических повреждений растений. Обоснована целесообразность применения легкого летательного аппарата для авиационно-химических работ. Отметили, что автожир — перспективный легкий винтокрылый летательный аппарат для внесения жидких средств химизации. Он сочетает в себе свойства самолета и вертолета. Разработали автожир с модульной конструкцией устройства, обеспечивающего автоматизированное внесение жидких средств химизации с рабочей скоростью полета 70−100 км/ч, шириной распределения 8 м, высотой обработки 1,0−1,5 м, нормой внесения 10−20 л/га.

Установлены параметры эффективности применения автожира: продолжительность одного полета-цикла в зависимости от длины гона и расстояния подлета к обрабатываемому участку поля; полезную грузоподъемность и норму внесения. Определили, что площадь поля, обрабатываемого автожиром, возрастает с уменьшением нормы внесения, рациональные значения которой составляют 10−20 л/га. С увеличением полезной грузоподъемности со 100 до 350 кг производительность автожира в летный час возрастает в 3 раза и более.

Однако грузоподъемность ограничивается мощностью силовой установки автожира. Установили, что наименьшее время полета автожира 14−46 мин и наибольшая производительность обработки сельскохозяйственных культур 37−43 га/ч обеспечиваются при рациональных значениях длины гона участков поля 1,0−2,6 км в пределах расстояния подлета к полю 0,6−1,5 км. Так, для автожиров с мощностью двигателя силовой установки 150, 200 и 300 л.с., полезная грузоподъемность обычно составляет 120, 200 и 350 л соответственно.

Но основная цель — проведение фитопрочисток и своевременная оценка посадок семенного топинамбура, чтобы повысить качество получаемого семенного материала и получать высококонкурентную продукцию продукцию в долгосрочной перспективе, может решаться с использованием простейших БПЛА, оснащенных видеокамерой.