Аграрии сталкиваются с экономическим и экологическим давлением, заставляющим их сокращать использование гербицидов, а растущее распространение сорняков, устойчивых к гербицидам, ставит под угрозу возможности успешного химического контроля. Сорняки конкурируют с культурами за ресурсы, снижая урожайность и эффективность уборки. Амарант Палмера стал самым проблемным сорняком для производителей пропашных культур по всей территории Соединенных Штатов.
Одно растение амаранта Палмера на метр ряда снижает урожайность сои на 32% и может давать до 600 000 семян. Кроме того, амарант Палмера развил устойчивость к девяти различным участкам воздействия, семь из которых используются для послевсходового пост-контроля сорняков. Обеспечение того, чтобы сорняки не давали семян к концу сезона, имеет первостепенную важность для предотвращения развития устойчивости к гербицидам.
Пространственное распределение сорняков на сельскохозяйственных полях неравномерно. Часто сорняки появляются группами или пятнами, что дает возможность нацеливать гербицидные обработки на пятна или отдельные сорняки, сокращая количество химикатов, вносимых на поле, и тем самым улучшая охрану окружающей среды. В Соединенных Штатах с 2017 по 2022 год общая стоимость производства для ферм, занимающихся пропашными культурами, выросла на 26,6%, а химикаты составили в среднем 7,7% от общей стоимости. С ростом себестоимости производства производители ищут технологии, позволяющие снизить затраты и повысить рентабельность.
За последние несколько десятилетий к основным ограничениям в разработке технологий машинного зрения для обнаружения сорняков относились отсутствие надежной компьютерной обработки и изменчивость окружающей среды в производственных системах, где морфология растений и окружающая среда являются динамичными, а сорняки часто могут быть скрыты сельскохозяйственными культурами.
Одна из технологий точного опрыскивания была разработана компанией Blue River Technology, которая теперь является дочерней компанией Deere & Company. В 2020 году компания John Deere публично объявила о разработке See & Spray для опрыскивателей для пропашных культур.
В настоящее время компания John Deere предлагает три системы для целевого применения: Select, Premium и Ultimate.
Система Select приобретается на заводе и предназначена для внесения «зеленое на коричневом» или парового/выжигательного опрыскивания, нацеленного на любую растущую растительность в поле.
Система Premium может быть приобретена новой или модернизирована для определенных моделей 2018 года и более новых с BoomTrac Pro 2.0 и системой корпуса форсунки ExactApply (Deere & Company).
Платформа Ultimate приобретается на заводе и работает как система Premium, но имеет двойной бак, штангу и насосную систему, что позволяет одновременно выполнять широкое и целевое внесение.
Все системы используют машинное зрение с камерами, оснащены блоками обработки изображений и датчиками высоты, установленными вдоль штанги. Кроме того, See & Spray Select использует машинное обучение с запатентованным алгоритмом для любой растительности и запуска приложений. Premium и Ultimate используют глубокое обучение и могут выполнять целевые приложения на паре, кукурузе, хлопчатнике и сое, тогда как Select можно использовать только в сценариях с паром.
Одной из основных проблем с целевыми приложениями машинного зрения является потенциальная ошибка типа I, или количество сорняков, которые были ошибочно сочтены не сорняками. В настоящее время See & Spray позволяет операторам настраивать настройку чувствительности обнаружения, которая определяет уверенность алгоритма в том, что то, что «видят» камеры, является сорняком. Кроме того, операторы могут изменять буфер покрытия с малого, среднего или большого, что меняет количество и продолжительность срабатывания форсунок.
Предварительные исследования показали, что целевое применение может снизить реакцию сои на гербициды и обеспечить сопоставимый контроль сорняков с традиционным применением.
Команда исследователей из Университета Арканзаса совместно с коллегами Технологического института Монтеррея и агрономами из Blue River Technology проверила утверждение John Deere, что See & Spray может сократить использование гербицидов и обеспечить контроль над сорняками, сопоставимый с традиционными опрыскиваниями, при выращивании сои.
Эксперименты проводились в течение 2 лет в Кайзере, штат Арканзас, и Гринвилле, штат Миссисипи, чтобы сравнить направленные применения распыления с традиционными программами внесения гербицидов на устойчивых к глифосату/глюфосинату/дикамбе соевых бобах.
«Точные обработки обеспечивали сопоставимый контроль с традиционными с ≤1% снижением эффективности и общим контролем ≥93% для амаранта Палмера и ряда других проблемных сорняков. Кроме того, целевые опрыскивания немного снизили повреждение сои максимум на 5 процентных пунктов по всем оценкам, хотя эти эффекты и не привели к увеличению урожайности при уборке. Соотношение между площадью сорняков и целевой опрыскиваемой площадью также указывает на то, что угол распыления может влиять на потенциальную экономию гербицидов, при этом более узкие углы распыления распыляют на меньшую площадь. В среднем точные опрыскивания экономили от 28,4% до 62,4% послевсходовых гербицидов. На основе этих результатов, с определенными настройками машины, целевые программы внесения могли бы сократить количество применяемого гербицида, обеспечивая при этом контроль сорняков, сопоставимый с традиционными обработками», заключили авторы исследования.
Они отметили, что во время испытаний использовалась специальная машина. В то время как коммерческие машины используют 36,6-метровую штангу, Blue River Technology (Санта-Клара, Калифорния, США) предоставила исследовательскую версию этих платформ для проведения исследований на небольших участках.
Агрономическая испытательная машина (англ. agronomy testing machine - ATМ) предназначена для выполнения всех задач коммерческой машины и использует те же датчики, камеры и процессоры, что и продаваемый продукт. Четыре камеры, два блока обработки изображений, один GPS-блок StarFire (Deere & Company) и три датчика высоты штанги были установлены на ATM для обнаружения сорняков, определения местоположения как сорняков, так и форсунок и запуска приложений. ATM также использует те же корпуса форсунок с двумя электромагнитными клапанами, что позволяет одновременно выполнять широкополосное и целевое применение. Всего 10 форсунок расположены на расстоянии 38 см друг от друга.
Основное отличие ATM от коммерческих опрыскивателей заключается в системе подачи жидкости. ATM использует два бортовых воздушных компрессора с регуляторами давления вместо механического нагнетания давления и имеет возможность подключения двух баков объемом 18,9 л для эффективного переключения между гербицидными обработками.
Кроме того, ATM имеет внешнюю и внутрикабинную панель управления для заправки и активации опрыскивателя и внутрикабинный компьютер для сбора и извлечения данных из блоков обработки изображений.
Во время каждого применения ATM может собирать записи каждого участка для последующего анализа с использованием фирменного программного обеспечения John Deere для количественной оценки площади сорняков, площади посевов и площади опрыскивания.
«В заключение, результаты оценок в конце сезона с точными применениями показали, что ни одна из гербицидных программ не достигла 100% контроля, поскольку были сорняки под пологом культуры. Вероятно, во время применений эти сорняки могли быть пропущены или получить частичную дозу из-за близости соседних сорняков и в конечном итоге пробиться через полог во время старения сои. Другие эксперименты с синим красителем показали, что целевые применения могут пропускать сорняки вблизи культур. Важно отметить, что эти результаты могут различаться для разных производственных систем и, вероятно, будут сильно зависеть от программы гербицидов и настройки чувствительности обнаружения машины. Кроме того, различные системы обнаружения от других производителей, вероятно, будут отличаться по эффективности и потенциальным преимуществам. Будущие исследования учтут эти факторы, среди прочих», отметили исследователи.
Источник: Cambridge University Press. Фото: Майкл Додде, аспирант Университета Арканзаса 2023 года.