В сельском хозяйстве пришло время «цифры»
В Федеральном научном центре риса прошел круглый стол по вопросам развития цифровых технологий в сельхозпроизводстве. Представители аграрной науки Кубани и Санкт-Петербурга, а также отечественные разработчики в сфере высоких технологий обсуждали проблемы цифровой трансформации в АПК России и возможные пути их решения.
В начале цифрового пути
Тема для круглого стола появилась неслучайно. На мировой арене сегодня лидируют те государства, которые активно внедряют эффективные высокотехнологичные решения. Поэтому и российские власти переход сельхозотрасли на «цифру» тоже считают определяющим фактором для экономического роста в сфере АПК. Согласно отечественной концепции «Научно-технологического развития цифрового сельского хозяйства», цифровизировать можно около 40 решений, которые приходится принимать в течение сезона каждому фермеру. Все они напрямую влияют на экономику производства. По подсчетам специалистов, внедрение цифровых решений позволит снизить расходы на 23% и тем самым повысить рентабельность агропредприятий.
Российский АПК находится только в начале пути цифровизации, и сегодня аграрная наука должна дать отрасли перспективные технологии. Процесс трансформации подразумевает внедрение цифровых двойников, технологий искусственного интеллекта, интернета вещей, применение беспилотных летательных аппаратов, робототехники. Все это требует тщательного изучения, по результатам которого должны быть сформированы эффективные научно-технологические решения.
С.В. Гаркуша
При этом нужно не забывать, что вопросы продовольственной безопасности носят глубоко политический характер. Связаны они с обеспечением продуктами не только собственного населения, но и других стран – во избежание голодных бунтов и войн за передел ресурсов. Сохранение мира на планете и ее природных богатств – основная миссия аграрной науки. Важность работы в этом направлении особо подчеркнул в своем приветственном слове к участникам круглого стола Сергей Валентинович Гаркуша, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор ФГБНУ «Федеральный научный центр риса» (ФНЦ риса, г. Краснодар). Он отметил, что вопросы продовольственной безопасности мира решают сегодня страны, которые обладают самыми обширными земельными ресурсами и селекционным генофондом – это Россия, США, Индия и Китай. Но в отличие от России, развитые страны выращивают до 80% урожая благодаря внедрению в производство передовых технологий. При этом каждый доллар, вложенный в развитие инноваций, приносит им по 515 долларов прибыли.
«Придать ума» технологии
В формате онлайн-видеосвязи поприветствовала участников мероприятия Наталья Петровна Бучкина, кандидат биологических наук, замдиректора по научной работе ФГБНУ «Агрофизический научно-исследовательский институт» (ФГБНУ АФИ, г. Санкт-Петербург). С 2003 года учреждение проводит исследования результатов зондирования посевов с помощью беспилотных летательных аппаратов и накопило немалый опыт, которым готово делиться.
В ФНЦ риса ученые обсудили вопросы развития цифровых технологий в сельхозпроизводстве
Н.П. Бучкина рассказала о высокотехнологичных решениях, присутствующих сегодня на рынке, и подчеркнула, что сотрудничество питерских и кубанских ученых позволит более эффективно трудиться в направлении создания и внедрения новых современных технологий в сельском хозяйстве.
О том, как проходили опыты по дистанционному зондированию посевов в питерском НИИ, представил подробную развернутую информацию Алексей Федорович Петрушин, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ФГБНУ АФИ. Деятельность начиналась с достаточно простых решений – с помощью радиоуправляемого самолета, который ученые сделали сами. На этот прототип дрона они прикрепили две фотокамеры и проводили исследования. В 2015 году процесс модернизировали благодаря новому коптеру, который с помощью фотокамеры Micasense-MX делал необходимые снимки в пяти диапазонах спектра. Но оказалось, что и она не позволяет представить достаточно четкую картину состояния посевов. В 2021 году при поддержке Министерства образования институт приобрел гиперспектральную камеру RESONON, которая при установке на коптер DJI позволяет снимать 281 канал в диапазоне 400-1000 нанометров с шагом 2 нанометра. Устройство позволяет ученым «находиться в воздухе» до 18 минут и мониторить с высокой точностью до 20 гектаров пашни.
А.Ф. Петрушин показал присутствующим результаты гиперспектральных съемок рисовых чеков ФНЦ риса, которые провели накануне.
– Для человеческого глаза снимки все выглядят одинаково – зеленого цвета. Но если снять характеристики в инфракрасном диапазоне, то можно ясно увидеть различия оттенков. Даже можно оценить состояние растений, расположенных друг от друга на расстоянии трех метров, – рассказал ученый. – Если сделать цветосинтезированное изображение, то мы сможем невооруженным глазом увидеть, насколько посев отличается внутри себя. Камера позволяет более четко найти взаимосвязи между состоянием растений и его фактическими характеристиками.
Сотрудники НИИ обрабатывают результаты аэросъемки с использованием специального программного обеспечения и определяют вегетационные индексы. Индексы были подобраны в лабораторных условиях, где для растений создавали регулируемые условия среды, вводили их в стрессовые состояния, а затем снимали с них показатели для определения комбинации цветовых каналов. Теперь можно определять по данным дистанционного зондирования уровень влагообеспеченности растений, их азотный статус, степень засоренности посевов и принимать решения, направленные на улучшение состояния агрофитоценозов. Также ученые сравнили информацию с новой камеры и с тех, что использовали в предыдущие годы. Оказалось, что возможности гиперспектральной съемки на порядок превышают 5-канальную. Это позволяет рассчитывать около 20 индексов и получать много данных для дальнейшей аналитической работы.
В Санкт-Петербурге сотрудники ФГБНУ АФИ закладывают на полях тестовые площадки, отличающиеся друг от друга минеральным питанием, степенью засоренности и наличием болезней растений. На опытных участках они определяют оптические характеристики, затем систематизируют показатели по группам и таким образом накапливают базу данных, которую используют для аналитики. Полученную технологию тщательно отшлифовывают, а затем уже применяют на больших площадях и называют «умной». В целом она включает в себя сбор данных, обработку и оценку, анализ и выработку решений по оптимальному выполнению операций.
Как оцифровывать бизнес-процессы
Проводят подобные исследования и на производственных полях. Отечественный интегратор цифровых систем ООО «ГеосАэро» занимается адаптацией технологий для точного земледелия. Технический директор этого предприятия Захар Александрович Завьялов рассказал о геоинформационных решениях для мониторинга состояния посевов с помощью аэрофотосъемки. Сотрудники ГеосАэро создавали различные условия для растений, а затем оцифровывали данные, получая их с помощью спутников и аэрофотосъемки. У компании есть опыт создания цифровых карт сорной растительности на полях и дифференцированного внесения средств защиты растений. При определении индексов они выяснили, что необходимо отслеживать и то, как меняются характеристики посевов в светлое и темное время суток, в солнечную и пасмурную погоду.
ГеосАэро разрабатывает стандартизированные отчеты, которые позволяют проводить вычисления с одними и теми же показателями в различных агроклиматических зонах, что позволяет существенно экономить время расчетов. Сегодня интегратор разрабатывает платформу для аналитики данных. Предположительно она будет представлять собой базу для хранения большого объема данных, собранных с полей. С ее помощью научное сообщество сможет работать удаленно, обсуждать различные вопросы и проводить эксперименты в цифре. А также компания намерена передать уже готовую разработанную технологию по составлению рельефа местности и измерению растительности по высоте в заинтересованные научные руки для дальнейшего усовершенствования.
Как отметил Григорий Александрович Корнев, гендиректор краснодарской картографической компании ООО «Гискарт», важно не просто собирать данные, но и накладывать их на бизнес-процессы заказчика, создавая удобные программы, отчеты и другие инструменты. Это необходимо, чтобы руководители вовремя принимали эффективные решения, и предприятия «не вылетали в трубу» с неоправданными в хозяйстве процессами. В сфере сельского хозяйства многие до сих пор используют бумажные карты местности – их сложно поддерживать в актуальном состоянии и отслеживать параметры в динамике. В электронном виде эти проблемы легко решаемы. У Гискарт большой опыт по созданию геоинформационных систем и поддержанию их в актуальном состоянии, и потому такие электронные карты гораздо удобнее бумажных в использовании.
Также специалисты Гискарт «научились» оценивать примерный объем растительности, рельеф, высоту растительного покрова, возраст растений, различные зоны и другие агропараметры. Компания имеет опыт создания ГИС для агропредприятий, который может содержать агрохимические показатели почвы, внесенных удобрений, что позволяет проводить анализ деятельности по факту и плану. ИТ-специалисты Гискарт разработали проект ГИС для рисового хозяйства. Он требует экспертной оценки агроспециалистов. Г.А. Корнев представил функционал десктопной и мобильной версий этой системы. Показал, как можно заносить и анализировать данные, структурируя их по рисовым полям, картам и чекам. Гендиректор отметил, что можно реализовать и другие программные решения, важно только грамотно поставить задачу программистам. Например, для дорожного хозяйства компания выполняла панорамную съемку, которая выглядит как экскурсия с возможностями инвентаризации объектов и измерения их прямо на панорамах. Причем Гискарт регулярно обновляет эти данные. Возможно, эту идею захотят использовать и в сельском хозяйстве.
Разработка для точного земледелия
Тесно работает с отечественными НИИ и сельхозпредприятиями краснодарский интегратор в сфере точного земледелия ООО «Агро-Софт». Руководитель компании Алексей Александрович Тенеков представил вниманию участников круглого стола отечественную систему «Агрометрика». В ней реализовано несколько индексов, которые математически вытекают один из другого. Для рисовых культур они связаны с характеристиками водной поверхности, растительности, ранних и поздних всходов и множеством других. Подбирая нужный индекс, можно максимально раскрывать как аномалии, возникающие на полях (очаги подтопления, выдувания, полегания), так и потенциал каждого чека.
Интерактивная система дает возможность агрономам определять необходимые дозы удобрений, создавать карты-задания по внесению удобрений, которыми специалисты хозяйств программируют разбрасыватели или опрыскиватели и дифференцированно вносят агрохимикаты. Формат карт системы «Агрометрика» «понимает» большинство «умной» техники. Затем программа выгружает отчеты с номерами чеков, площадями, нормами внесения удобрений, общей стоимостью вносимых веществ и другими важными значениями в индексах. Спикер подчеркнул, что разработка способна экономить для фермерского хозяйства в среднем от пяти тысяч рублей и выше на каждый гектар.
Дроны набирают популярность
В Кубанском государственном аграрном университете углубленно изучают возможности всех современных высокотехнологичных разработок. Самыми перспективными для применения в АПК в настоящий момент считают именно беспилотники. Учреждение даже проводит обучение специалистов по направлению «Оператор БПЛА мультироторного типа». Николай Юрьевич Курченко, кандидат технических наук, и.о. заведующего кафедрой физики, доцент КубГАУ, рассказал, что в мире растет количество запатентованных разработок беспилотной летательной техники, и лидером по количеству зарегистрированных изобретений является Китай. А вот российских запатентованных решений в сфере беспилотных технологий пока мало. Возможно, именно поэтому большинство дронов, которые применяют российские сельхозпредприятия и учреждения агронауки, тоже китайского производства.
Подготовка к гиперспектральной съемке в поле
Широкой популярностью пользуются беспилотники мультироторного типа, которые могут переносить грузы до 30 кг. Чаще всего аграрии их применяют для внесения средств защиты растений и сыпучих материалов. Они проводят не только сплошную обработку, но и локальную, точечную. С помощью дронов легко можно обследовать неудоби, края полей при лесополосах, вымочки. Данная технология все больше набирает обороты и распространяется в сельхозпроизводстве.
КубГАУ участвует в исследованиях на рисовых системах, оттачивает технологии их применения. Здесь уже научились строить цифровой рельеф местности с помощью беспилотников и фиксировать неровности. Пробовали дроны и для внесения удобрений, при этом вынесли решение, что системы разбрасывания, которыми их оборудуют, могут применяться еще и для сева мелкосемянных культур, таких как люцерна.
Н.Ю. Курченко акцентировал внимание присутствующих на том, что разработчики беспилотников готовятся представить новое изобретение – смесительные узлы. Типовых решений пока на рынках нет, а они необходимы. В идеале они должны включать в себя функционал для транспортировки на поле беспилотников и генераторов, а также должны быть оборудованы емкостями, оснащенными мешалками для приготовления рабочих растворов в полевых условиях. Одна 30-литровая модель БПЛА способна обрабатывать от 72 до 144 га за 18-часовую смену. Для увеличения охвата предприятию необходимо приобретать от двух до четырех БПЛА. Ученый подчеркнул, что гипотетически четыре таких беспилотника могут конкурировать по производительности с традиционным штанговым опрыскивателем. Для них понадобятся как минимум два генератора электрического тока мощностью по 10 киловатт, которые обеспечат питание двигателей, насосов и дополнительную подзарядку пультов управления.
Чем выше точность, тем вернее аналитика
На сегодняшний день получила широкое распространение аэрофотосьемка с применением мультиспектральных камер. Никита Александрович Прокофьев, руководитель направления беспилотных систем для сельского хозяйства в ООО «Геоскан», рассказал о разработке компании – мультиспектральной цифровой фотокамере Geoscan Pollux. Созданию этого изобретения предшествовали годы работы, опыт проведения мультиспектральной съемки и изучение потребностей клиентов. Фотокамера предназначена для получения изображений одновременно в пяти непересекающихся диапазонах – синем, красном, зеленом, дальнем красном и инфракрасном. Благодаря высокому разрешению (1440 × 1080) и увеличенному фокусному расстоянию она превосходит по отдельным параметрам зарубежные аналоги. Устройство дает возможность определять вегетационные индексы по данным аэрофотосъемки в видимом (RGB) и инфракрасном спектрах. Данные записываются на карту памяти microSD. Фотокамера оснащена калибровочной панелью и в перспективе будет дополнена датчиком солнечного освещения для автоматической коррекции во время съемки. Съемка с высоты 120 метров позволяет получать изображения до 5 см/пиксель. Камера дает возможность получать снимки в условиях плохого освещения без значительной потери качества изображения.
Н.А. Прокофьев представил участникам круглого стола материалы аэрофотосъемки опытных полей федерального научного центра риса. По полученным данным созданы аэрофотосхемы опытных чеков, построены цифровые модели рельефа, определены различные вегетационные индексы (NDVI, NDRE, WRI), на основании которых выявлены участки с разным уровнем состояния посевов. Высокая детализация позволила четко различить неоднородность посевов на рисовых чеках. Аналитика полученных данных во времени показала, как менялась картина до и после проведения подкормок. Так, анализ съемки рисовых чеков выявил причину полегания растений перед уборкой. Оказалось, что полегли растения вдоль края полосы обработки из-за двойной дозы внесенного удобрения в результате неточного прохождения техники.
Необходимы перемены
В информационном центре на базе ФНЦ риса также идут исследования. Здесь изучают оптические свойства ценозов сортов, их связи с морфофизиологическими признаками растений и урожайностью. Все это необходимо для мониторинга состояния посевов и прогноза урожая риса в Краснодарском крае. Работу выполняют Виталий Николаевич Чижиков, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией агрохимии и почвоведения, и Михаил Александрович Скаженник, доктор биологических наук, заведующий лабораторией физиологии.
Круглый стол позволил участникам обменяться друг с другом наработками и идеями по совершенствованию высокотехнологичных решений и их внедрению в АПК. После выступления каждого спикера звучали вопросы. Один из самых обсуждаемых коснулся информационной безопасности – как хранить и защищать собранные данные, так как они являются интеллектуальной собственностью разработчика. Эту тему еще предстоит изучать, и ее, конечно, затронут на следующих встречах.
В заключение мероприятия С.В. Гаркуша пригласил единомышленников к сотрудничеству.
– Пришло время науки, – подчеркнул руководитель ФНЦ риса. – Мы не пожалеем ни сил, ни средств для проведения исследований, приобретения нужной техники и создания экспериментальной базы данных.
Ученый отметил, что при всех природных богатствах и высоких технологических возможностях, которыми обладает Россия, большая часть хозяйств, увы, до сих пор управляет предприятиями устаревающими методами. Однако в непрерывно меняющемся мире важно своевременно и эффективно распоряжаться имеющимися ресурсами и превращать их в готовый продукт. Для этого отрасли необходимы высокие технологии и принятие быстрых и точных решений.
ОЛЬГА САВЕЛЬЕВА,Краснодарский край,Фото автора и freepik.com