Più di cento anni fa, nell'estate del 1922, un aereo con attrezzature per eseguire lavori chimici aerei mediante spruzzatura contro parassiti e malattie decollò dall'aeroporto metropolitano di Khodynsky. I voli di prova di successo segnarono l'inizio dello sviluppo dell'aviazione agricola.
Oggi, l'uso di vari mezzi aerei per la protezione delle piante è di grande importanza economica, poiché offre la possibilità di:
— monitoraggio remoto su larga scala delle colture agricole;
- misure di protezione a breve termine e in luoghi difficili da raggiungere contro parassiti particolarmente pericolosi (locuste, tarme dei prati, roditori simili a topi, scarabeo della patata del Colorado, tartarughe nocive) e malattie (ruggine bruna, peronospora, alternariosi);
- lavorazione del terreno con forte umidità del terreno, quando le attrezzature a terra non possono entrare in campo, soprattutto nella lotta alle erbe infestanti;
– lavorazione di colture ad alto fusto (mais, girasole) e semina di colture da seme;
— lavorazione delle risaie;
- essiccazioni;
- lavorazione delle colture su pendii con pendenza superiore a 7 gradi, dove le attrezzature per l'irrorazione del terreno non possono funzionare.
Nell'Unione Sovietica, la base della flotta dell'aviazione agricola era l'AN-2. Attualmente, lo sviluppo dell’aviazione agricola si sta muovendo verso una significativa espansione dell’uso di aerei ultraleggeri (ALV) e di veicoli aerei senza pilota (UAV), che sono molto più economici degli aerei pesanti. In conformità con le norme dell'aviazione federale e il codice dell'aria della Federazione Russa, un apparecchio (aereo) è chiamato ultraleggero se è dotato di:
- peso massimo al decollo non superiore a 495 kg (escluse le attrezzature di soccorso aereo);
- velocità massima di stallo di calibrazione (velocità minima di volo) non superiore a 65 km/h.
I veicoli aerei senza equipaggio (UAV) includono veicoli i cui voli sono controllati da piloti esterni al tabellone (piloti esterni).
Le caratteristiche della corretta modalità di utilizzo dell'UAV sono determinate dal suo peso massimo al decollo:
- fino a 250 g - non sono soggetti a registrazione o contabilità statale;
- da 250 ga 30 kg - sono soggetti a contabilità statale obbligatoria;
- da 30 kg e oltre - sono soggetti a registrazione statale.
Importanti vantaggi derivanti dall’utilizzo di UAV e ALS sono:
— nessuna perdita derivante dai danni alle colture causati dalle ruote o dalla necessità di utilizzare linee tranviarie (rispetto alle attrezzature a terra);
- elevata efficienza riducendo i costi operativi (rispetto agli aerei pesanti, poiché questi aerei non necessitano di aeroporti attrezzati).
L'uso di veicoli aerei senza pilota aiuta a risolvere i seguenti compiti:
- ottenere informazioni dettagliate sulla creazione di una base cartografica dei terreni agricoli e sul posizionamento degli oggetti agricoli con le loro coordinate esatte per la pianificazione e il controllo dei processi tecnologici della produzione agricola;
– effettuare un monitoraggio remoto basato su immagini multispettrali della superficie sottostante dei terreni agricoli per determinare le condizioni e lo sviluppo delle colture, prevedere le rese sulla base del calcolo dell'indice di vegetazione sulla base dei risultati delle immagini spettrali, ecc.;
– controllo operativo in tempo reale sul funzionamento delle attrezzature di terra e sulla qualità del lavoro agrotecnico;
– monitoraggio fitosanitario geocodificato dei terreni agricoli per determinare il livello di infestazione delle colture, la presenza di parassiti e manifestazioni di malattie in una fase iniziale di sviluppo, anche in forma latente;
L'utilizzo degli UAV per la fotografia aerea di terreni agricoli consente, rispetto alle immagini satellitari, di ottenere immagini con una risoluzione più elevata (fino a un centimetro per punto) e, soprattutto, consente di eseguire questi lavori in presenza di fitte nuvole (è impossibile effettuare riprese con veicoli spaziali in tali periodi).
Soffermiamoci più nel dettaglio sul monitoraggio fitosanitario delle colture. Negli ultimi tempi, il volume di utilizzo dei prodotti fitosanitari in Russia è in costante crescita: secondo le statistiche, ogni cinque anni, a partire dal 2010, sono raddoppiati e nel 2020 hanno raggiunto le 221mila tonnellate. Con la crescita dell’uso di prodotti fitosanitari, le aziende agricole devono garantire la tempestiva raccolta ed elaborazione delle informazioni sulle condizioni fitosanitarie dei campi agricoli. Senza queste informazioni è impossibile risolvere in tempi brevi in agricoltura i problemi del supporto tecnologico per l'uso razionale e sicuro dei prodotti fitosanitari. I metodi esistenti di ispezione dei campi via terra non consentono di ottenere le informazioni necessarie rapidamente e nella quantità adeguata. A questo proposito, all'estero e nel nostro Paese si sta lavorando attivamente per sviluppare metodi remoti ad alte prestazioni per il recupero di informazioni per la pianificazione e l'attuazione di misure fitosanitarie. Per il monitoraggio fitosanitario operativo a distanza, i veicoli aerei senza pilota sono quelli più ampiamente utilizzati, che forniscono video geocodificati, immagini multispettrali e iperspettrali della superficie sottostante della Terra.
Va notato che i problemi relativi all'utilizzo di metodi remoti di recupero delle informazioni nel campo del controllo delle infestanti (determinazione della posizione delle infestanti sul campo, valutazione delle perdite di raccolto, mappatura delle zone danneggiate) sono già stati parzialmente risolti. In questo settore, nell'ambito di un accordo di cooperazione scientifica e tecnica, è stata condotta una ricerca con la partecipazione di specialisti della VIZR, dell'Università di Strumentazione Aerospaziale (San Pietroburgo), dell'Accademia Agraria di Samara e di Ptero LLC (Mosca). Risultati positivi sono stati ottenuti dall'uso del BVS per metodi remoti di recupero delle informazioni basati sulla spettrometria per valutare l'infestazione di raccolti di grano e piantagioni di patate per più di 20 tipi di erbe infestanti, inclusa una dannosa come il panace di Sosnowsky. I dati sono stati ottenuti sulla base della determinazione e dell'analisi delle caratteristiche spettrali della riflessione di piante coltivate ed erbe infestanti nell'intervallo di lunghezze d'onda di 300-1100 nm.
Pertanto, nel corso degli studi condotti per identificare le caratteristiche distintive basate sulla luminosità spettrale della riflessione delle piante coltivate ed infestanti, sono stati stabiliti i sottointervalli spettrali più informativi delle lunghezze d'onda delle radiazioni elettromagnetiche per l'utilizzo dell'imaging multispettrale della superficie sottostante dei terreni agricoli utilizzando moderni strumenti sistemi di telerilevamento. Un'analisi delle immagini spettrali di erbe infestanti e piante coltivate mostra che osserviamo differenze caratteristiche nelle curve di luminosità spettrale ottenute nei sottointervalli di radiazioni elettromagnetiche del blu, verde, rosso e del vicino infrarosso nel sottointervallo di lunghezze d'onda del vicino infrarosso.
Un compito più difficile per l'uso diffuso di metodi di telerilevamento dei terreni agricoli è la determinazione di segni informativi di malattie delle piante, e soprattutto, in forma latente. Ciò è dovuto al fatto che molti segni informativi di malattie sono simili nella luminosità spettrale ai segni di patologia non infettiva delle piante studiate.
Risultati positivi sono stati ottenuti per la determinazione delle malattie delle patate e dei danni alle piante di patate da parte della dorifora della patata mediante spettroradiometria. Utilizzando questo metodo, si è riscontrato che quando si piantano patate colpite da peronospora (Fig. 1), il terzo giorno dopo l'infezione, si osserva una forte diminuzione della luminosità spettrale del riflesso rispetto alle piante sane, e su il settimo giorno dopo l’infezione, i valori della luminosità spettrale mostrano che le piante sono praticamente morte. In questo caso il valore della luminosità spettrale nelle piante colpite dalla peronospora è vicino ai valori della luminosità spettrale della riflessione dal suolo.
Quando le patate vengono danneggiate dallo scarabeo della patata del Colorado, osserviamo anche una diminuzione dei valori della luminosità della riflessione spettrale di due o tre volte rispetto alle piante senza danni da parte del parassita. La Figura 2 mostra i dati sulla luminosità spettrale della riflessione delle piante di patate, tenendo conto del diverso grado del loro danno. I dati ottenuti sono di grande importanza per il metodo remoto di rilevamento delle lesioni delle piante di patate da parte dello scarabeo della patata del Colorado.
Attualmente, sulla base degli studi effettuati per determinare le caratteristiche informative basate sulla luminosità spettrale della riflessione di piante di patate sane e malate, nonché di quelle danneggiate dalla dorifora della patata, sono stati individuati i sottointervalli spettrali più informativi delle lunghezze d'onda delle radiazioni elettromagnetiche istituito per l'utilizzo dell'imaging multispettrale della superficie sottostante dei terreni agricoli utilizzando BVS e SLA.
Nel determinare le malattie, è necessario tenere conto dei risultati della ricerca dell'Istituto Agrofisico, che ha permesso di determinare le caratteristiche spettrali del riflesso delle piante carenti di azoto e umidità del suolo.
I risultati ottenuti sono importanti per individuare caratteristiche informative che permettano di distinguere chiaramente, nella decifrazione dello stato fitosanitario dei terreni agricoli, le piante colpite da malattie e quelle con patologie causate da carenza di nutrizione minerale o umidità del suolo.
La formazione di librerie di immagini spettrali di malattie di varie colture, nonché di immagini spettrali di queste colture carenti di nutrizione minerale o umidità del suolo, consentirà, sulla base dei risultati del recupero remoto delle informazioni, di prendere decisioni ragionevoli e tempestive stabilizzare la situazione fitosanitaria in presenza di malattie o attuare una serie di misure agrotecniche per alleviare le situazioni di stress sulle colture causate da altri fattori.
La prossima direzione importante nell'uso della BVS è la loro applicazione per misure fitosanitarie. Per la prima volta, gli UAV sotto forma di elicotteri telecomandati senza pilota iniziarono ad essere utilizzati in Giappone all'inizio degli anni '90 per il trattamento delle risaie con pesticidi. Attualmente in Cina, leader nella produzione di droni agricoli, la superficie coltivata con UA supera già diversi milioni di ettari. Anche il mercato degli UAV si sta sviluppando dinamicamente in tutto il mondo, il volume di utilizzo di questi velivoli aumenta ogni anno del 400-500%. Secondo gli esperti, l’utilizzo delle tecnologie UA in agricoltura nel mondo raggiungerà un valore di mercato di 5,7 miliardi di dollari.
Tra i droni agricoli, il mercato è dominato dall’azienda cinese DJI, e il modello più comune è il DJI Agras T16.
Dato che la maggior parte delle parti dell'UAV di questo modello sono realizzate in materiali compositi, il peso del dispositivo non supera i 18,5 kg (senza batteria). Con l'equipaggiamento fitosanitario, quando si riempie il serbatoio con il fluido di lavoro, il peso al decollo della macchina raggiunge i 41 kg. La capacità del serbatoio del fluido di lavoro è di 16 litri quando la barra è dotata di otto ugelli. Il vantaggio di questo modello di drone è che è dotato di radar, che riduce drasticamente il rischio di collisione con ostacoli, e offre anche la possibilità di lavorare di notte, utilizzando i proiettori. L'altezza di volo ottimale del drone sopra il campo è di 2,5-3 metri e, se necessario, il dispositivo può salire fino a 30 metri (altezza massima di volo orizzontale). Questa altezza è necessaria per il trattamento di piantagioni perenni, piante nei giardini botanici e nelle foreste da parassiti e malattie.
Nella Federazione Russa sono stati ottenuti risultati positivi sull'uso del BVS per il controllo dei roditori murini (gli studi sono stati condotti con la partecipazione di VIZR e della società Ginus). Test di produzione di monitoraggio remoto e applicazione geocodificata di rodenticidi nelle tane di roditori simili a topi hanno dimostrato che la precisione della nuova tecnologia rispetto all'applicazione manuale è del 91% contro il 97%.
È stata accumulata esperienza pratica sull'uso della BVS per il monitoraggio remoto delle aree di distribuzione del panace di Sosnowsky, nonché sull'uso della tecnologia di irrorazione di erbicidi contro questa specie dannosa.
Nonostante i risultati positivi e le prospettive dell’utilizzo dell’UA in agricoltura, ci sono carenze e questioni irrisolte nel campo della legislazione e dei documenti normativi sul loro uso efficace e sicuro per il monitoraggio remoto e la protezione delle piante, vale a dire:
- costo elevato degli UAV con rischio di perdita dell'apparato durante l'esecuzione dei lavori;
- restrizioni legali sull'uso: nella maggior parte dei paesi del mondo, l'UAV durante l'esecuzione del lavoro deve trovarsi nel campo visivo dell'operatore (la distanza non è superiore a 500 metri);
- la necessità di registrarsi, registrare il dispositivo (nella maggior parte dei paesi, se la sua massa supera i 25 kg) e ottenere una licenza per utilizzare l'UAV per scopi commerciali;
- la necessità di attrezzature costose aggiuntive e personale qualificato: per il funzionamento ininterrotto ed efficiente dell'UAV è necessario disporre di almeno tre batterie aggiuntive, un generatore per caricarle; almeno tre persone sono impegnate nella manutenzione di un'auto;
- grande dipendenza dalle condizioni meteorologiche. In caso di vento, il controllo dell'apparecchio è molto difficile, soprattutto con un forte vento laterale;
- mancanza di norme legalizzate per l'uso di prodotti fitosanitari che utilizzano BVS in conformità con i requisiti della legge federale n. 109 "Sulla manipolazione sicura di pesticidi e prodotti chimici per l'agricoltura";
- mancanza di documenti normativi per il funzionamento sicuro degli UAV in agricoltura;
- mancanza di standard assicurativi sui rischi per le persone giuridiche e le persone fisiche quando utilizzano prodotti fitosanitari con l'aiuto della BVS;
- prezzo elevato e mancanza di prodotti software per risolvere i problemi del monitoraggio fitosanitario a distanza di erbe infestanti, parassiti e malattie, tenendo conto delle soglie economiche di nocività, nonché della decodifica automatica dei loro risultati.
È urgente creare centri regionali per la formazione degli operatori e l'approvazione della produzione delle procedure tecnologiche per l'utilizzo degli UAS per il monitoraggio e la protezione delle piante.
Nell’ambito della digitalizzazione dei programmi agricoli, è necessario accelerare lo sviluppo di ampi database di campioni di riferimento di erbe infestanti nella fase più vulnerabile di sviluppo per l’uso di erbicidi e campioni di riferimento con caratteristici segni informativi di danni da parassiti alle principali colture. È altrettanto importante completare la formazione di librerie di immagini spettrali di piante sane e malate, tenendo conto dell'influenza del livello di nutrizione minerale e dei parametri agroclimatici.
Anatoly Lysov, capo del Laboratorio di protezione integrata delle piante, VIZR, e-mail: lysov4949@yandex.ru