Agrofagi, czyli szkodniki, patogeny wywołujące choroby roślin oraz chwasty, w dobie zmian klimatycznych stanowią coraz większe wyzwanie dla rolników, którzy ponadto muszą dostosować produkcję rolną do standardów określonych regulacjami prawnymi.

Regulacje te wpisane w koncepcję Europejskiego Zielonego Ładu nakazują znaczną redukcję zużycia pestycydów oraz zagrożenia z nich wynikającego. Stosowane dotychczas technologie walki z agrofagami coraz częściej okazują się niewystarczające lub zbyt inwazyjne dla środowiska naturalnego.

Pomocne w walce z agrofagami okazują się rozwiązania techniczne i inteligentne technologie, jakie dostarcza czwarta rewolucja technologiczna. Wyposażone w inteligentne rozwiązania pielniki i opryskiwacze stają się zdecydowanie bardziej skutecznymi maszynami, w porównaniu do sprzętu dotychczas stosowanego. Poniżej przedstawiamy rozwiązania wykorzystujące automatykę, analizę obrazów i sztuczną inteligencję jakie znalazły zastosowanie w nowoczesnych opryskiwaczach i pielnikach.

Konieczność redukcji zużycia pestycydów

Pomimo tego, że rolnictwo polskie na tle wielu innych krajów Unii Europejskiej cechuje się umiarkowanym i stabilnym zużyciem środków ochrony roślin w przeliczeniu na 1 ha upraw to również i polskie gospodarstwa rolne są zobligowane regulacjami prawnymi do stosowania mniejszych ilości pestycydów.

Jak wynika zestatystyk (dane IERiGŻ za okres 2015–2022) w strukturze sprzedaży substancji czynnej zawartej w środkach ochrony roślin w polskim rolnictwie większość stanowią herbicydy (51,8%) a w dalszej kolejności preparaty grzybobójcze i zaprawy nasienne (33,8%).

W redukcji zużycia herbicydów, których udział w zużyciu pestycydów jest znaczący pomocne jest wdrażanie rozwiązań z zakresu pielęgnacji mechanicznej roślin, stąd wzrost oferty rynkowej różnego rodzaju pielników. 

Wsparciem dla rolników w redukcji zużycia pestycydów są nowoczesne technologie. Kluczem ma być precyzja w wykonywaniu oprysku w powiązaniu z określeniem optymalnego terminu zastosowania pestycydu. To ostatnie wiąże się z szybkim wykryciem choroby, szkodnika jak i pojawiających się chwastów. W tym przypadku pomocne okazują się cyfrowe technologie umożliwiające szybką identyfikację zagrożeń w uprawach.

Do zrównoważonego zastosowania herbicydów na najwcześniejszych etapach pomocne mogą okazać się rozwiązania umożliwiające rozpoznawanie chwastów we wcześniejszej fazie rozwoju, kiedy to dawki herbicydów do ich zniszczenia mogą być niższe. Pomocne w planowaniu oprysków może okazać się fotografowanie i mapowanie pola z analizą obrazu za pomocą sztucznej inteligencji, która pozwoli identyfikować poszczególne rodzaje chwastów. Takie działanie można wykonać wykorzystując drony.

Za pomocą latających bezzałogowych pojazdów i sztucznej inteligencji w specjalnym oprogramowaniu powstają aplikacyjne mapy zachwaszczenia, dzięki którym można określić miejsca lokalnej aplikacji herbicydów. Wcześniejsze określenie rodzaju (gatunku) oraz lokalizacji chwastów pozwala na dobór odpowiednich herbicydów oraz dopasowanie ich dawek. Ponadto dzięki takim mapom można określić ilość cieczy roboczej niezbędnej do wykonania oprysku. Ten sposób projektowania zabiegu pozwoli uniknąć trudności z utylizacją cieczy.

Inteligentne technologie w opryskiwaczach

Specjaliści z branży AgriTech, która skupia w sobie firmy i start-upy oferujące innowacyjne rozwiązania dla Rolnictwa 4.0 twierdzą, że inteligentne rozwiązania zastosowane w technice oprysku mogą obniżyć koszty herbicydów o 90% dzięki selektywnemu ich stosowaniu tylko w obszarze występowania chwastów. Można to zrealizować wyposażając nowoczesne opryskiwacze w inteligentne sensory, kamery 3D, nawigację GPS i wszechstronne terminale pokładowe. Systemy informatyczne korzystające z tych rozwiązań uwzględniając siłę wiatru nad opryskiwaną plantacją, lokalizację pobliskich obiektów (co może mieć wpływ na cyrkulację powietrza), topografię terenu itp. mogą ocenić wstępnie skuteczność wykonania zabiegu.

Kamery te, rozmieszczone w określonej odległości na belce, filmują plantację przed belką, a specjalne oprogramowanie analizuje je poszukując chwastów w poszczególnych fazach ich rozwoju na podstawie kształtów i innych właściwości zapisanych w bazie danych programu (skala szarości, kolor, kontrast). Ponadto sztuczna inteligencja uczy się rozpoznawać chwasty i rośliny uprawne wykorzystując nowe powiązania na podstawie wcześniej zarejestrowanych danych.

Oprogramowanie umożliwia także mapowanie gatunków chwastów, ich populacji oraz faz rozwojowych, co może być wykorzystywane na potrzeby innych zabiegów agrotechnicznych. W dalszej kolejności oprogramowanie w opryskiwaczu dostosowuje ochronę herbicydową do rozpoznanych chwastów. Herbicyd jest dobierany przez odpowiedni algorytm obliczeniowy, który również określa niezbędną dawkę pestycydu. Algorytm sterujący rozpylaczami na belce może także uwzględniać rodzaj substancji czynnej, jaki był użyty we wcześniejszym zabiegu chemicznym.

Rozpoznawanie chwastów

Wykorzystanie kamer 3D oraz sztucznej inteligencji do rozpoznawania chwastów proponują firmy Agrifac (system AICPlus), Hardi oraz Amazone (współpraca z firmami BASF, Bosch oraz XarvioTM). Podobne rozwiązanie oferuje firma KUHN (Kuhn I-Spray). Jednakże francuski producent w swoim rozwiązaniu wykorzystuje czujniki hiperspektralne umieszczone na belce opryskowej. Czujniki dokonują pomiaru światła odbitego przez rośliny o różnych długościach w obszarze widma podczerwieni.

Specjalistyczne oprogramowanie na podstawie obrazów hiperspektralnych dokonuje identyfikacji określonych gatunków roślin, w tym chwastów znajdujących się na polu. W zaproponowanych przez wspomnianych producentów rozwiązaniach pojedyncze rozpylacze są uruchamiane za pomocą sygnału elektrycznego wysyłanego z sterownika zarządzanego z poziomu terminala pokładowego.

Oprysk wykonywany jest tylko tam, gdzie występują chwasty. Ponadto zależnie od natężenia chwastów możliwe jest stosowanie mniejszych niż zalecane przez producenta dawek, co prowadzi do znacznych oszczędności w stosowaniu pestycydów. Dawka wody jest utrzymywana na stałym poziomie wynoszącym np. 200 l/ha.

W inteligentnym opryskiwaczu firmy Agrifac główny zbiornik zawiera jedynie czystą wodę. Natomiast pestycydy przechowywane są w oddzielnych pojemnikach i dostarczane do linii zasilającej rozpylacze za pomocą oddzielnej pompy napędzanej elektrycznie. Mieszanina wody i pestycydu powstaje w przewodach zasilających rozpylacze, a nie w zbiorniku opryskiwacza, jak to ma miejsce w tradycyjnych konstrukcjach. Jedną z zalet takiego rozwiązania jest brak konieczności opłukiwania zbiornika opryskiwacza.

Warto nadmienić, że prekursorem takiego rozwiązania jest firma Dammann. Niemiecki producent proponuje kolejne rozwiązanie, w którym wykorzystuje się elektronicznie sterowane rozpylacze oraz głowice z rozpylaczami. Proces dozowania pestycydów jest sterowany elektronicznie i może odbywać się w trybie automatycznym. Elektroniczny układ sterujący dobiera odpowiedni rozpylacz na głowicy. Rozwiązanie pozwala stosować na polu trudno mieszalne substancje czynne. Dzięki temu systemowi rolnik nie musi dokładnie wymierzać ilości środka ochrony roślin. Niewykorzystany nadmiar może ponownie przelać do opakowania.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo: Cała prawda o rolnictwie Holandii! Jak Holendrzy z morza zrobili pola uprawne?

Praca na stałym ciśnieniu

Wspomniani producenci w swoich inteligentnych maszynach oferują inną konstrukcję rozpylaczy, w których zastosowano technologię Pulse-width frequency modulation (PWFM). W tym rozwiązaniu przepływ cieczy jest podzielony na 20–30 mikroimpulsów na sekundę. Impulsy otwierają rozpylacz na określony czas. Dawka cieczy jest regulowana poprzez precyzyjną zmianę czasu pracy rozpylacza w ciągu sekundy, przy tym samym ciśnieniu roboczym. Zmiana dawki cieczy roboczej jest sterowana za pomocą elektrozaworu poprzez komputer pokładowy. Rozwiązaniem tym zainteresowały się także firmy Horsch oraz rodzima Unia.

Obrazy wykonane przez kamery znajdujące się przed belką, obrobione przez specjalistyczne oprogramowanie, wykorzystuje oryginalny system See&Spray opracowany przez firmę Blue River Technology, wykupioną przez koncern John Deere. W tym rozwiązaniu zastosowano rozpylacze podobne do tych, jakie są stosowane w drukarkach atramentowych. Sterowane elektronicznie z komputera centralnego pojedyncze rozpylacze są umieszczone obok siebie. Przypominający zasadą działania pracę drukarki atramentowej układ rozpylaczy nanosi pestycyd na zidentyfikowany obiekt w postaci opryskanego pasa o określonej szerokości i długości. Rozpylacze znajdują się pod osłoną, która zapobiega znoszeniu cieczy. Rozwiązanie ma zastosowanie w ochronie chemicznej upraw rzędowych.

Obracalne głowice sterowane elektronicznie

Montaż na belkach polowych obracalnych głowic z różnymi typami rozpylaczy jest w wielu modelach opryskiwaczy rozwiązaniem standardowym. Nowym rozwiązaniem jest elektroniczne sterowanie głowicą, co umożliwia przełączanie poszczególnych rozpylaczy, a nawet pracę dwóch z nich jednocześnie w trybie automatycznym. Sterowanie głowicą i zmiana rozpylaczy może odbywać się na podstawie map aplikacyjnych lub danych z innych czujników.

Dzięki temu możliwy jest oprysk przy zastosowaniu rozpylacza antyznoszeniowego oraz klasycznego rozpylacza płaskostrumieniowego. Technikę oprysku na dwa rozpylacze oferują firmy: Amazone (system AmaSelect), Hardi (system AutoSelect), KUHN (system MultiSpray) oraz John Deere (systemie ExactApply). Proponowane przez wspomniane firmy rozwiązania pozwalają na zmianę dawki cieczy roboczej podczas pracy w trybie automatycznym. Regulacja dawki cieczy roboczej jest skorelowana wraz z przełączaniem różnych kombinacji rozpylaczy. Dzięki takim rozwiązaniom uzyskano podział belki na sekcje o długości 50 oraz 25 cm.

Elektronika i oprysk z GPS-em

Wiele nowoczesnych opryskiwaczy jest wyposażonych w magistrale i elementy wykonawcze kompatybilne ze standardem ISOBUS. Takie maszyny oferują także polscy producenci (Bury, Krukowiak, Unia). Za pomocą jednego terminala można zarówno sterować zespołami opryskiwacza jak również obsługiwać inne funkcje np. prowadzenie równoległe agregatu za pomocą systemu GPS.

Terminale pracujące w standardzie dysponują – wykorzystującą nawigację GPS – funkcją Section Control, która umożliwia wyłączanie i włączanie w trybie automatycznym poszczególnych sekcji rozpylaczy lub pojedynczych rozpylaczy na belce opryskiwacza podczas pracy na klinach i w trakcie manewrowania co przekłada się znacznie na oszczędności w pestycydach niż ma to miejsce w klasycznych rozwiązaniach bez tego systemu. Funkcje Section Control w opryskiwaczach oferują czołowi zagraniczni producenci tacy jak Amazone, Agrifac, Hardi, KUHN i John Deere. Z polskich producentów takie rozwiązanie oferuje Bury, Krukowiak i Unia.  

Lokalny oprysk dronem

Alternatywą dla tradycyjnych opryskiwaczy w technologii lokalnego oprysku mają być drony. Drony, oprócz monitorowania upraw (w tym sporządzania map zachwaszczenia), mogą być również wykorzystywane do lokalnego opryskiwania plantacji. Zaletą tych urządzeń jest to, że mogą one docierać do miejsc trudno dostępnych dla tradycyjnych opryskiwaczy związanych z ukształtowaniem terenu lub warunkami pogodowymi (podmokłe gleby).

Drony opryskowe wyposażone w specjalne zbiorniki na środki ochrony roślin mogą skutecznie i precyzyjnie rozpylać pestycydy i inne substancje na polach uprawnych. Drony zapewniają dokładne pokrycie opryskiwanego obszaru, bez strat i niedoskonałości, jakie mają miejsce w przypadku tradycyjnych metod opryskiwania, takich jak opryskiwacze rolnicze czy samoloty. Co interesujące, możliwe jest opryskiwanie w zmiennych dawkach, jak to ma miejsce w rolnictwie precyzyjnym.

Ze względu na unijne regulacje prawne zastosowanie dronów do oprysków syntetycznymi pestycydami na terytorium UE jest bardzo ograniczone. Natomiast drony do oprysków na szeroką skalę stosowane są w USA oraz w Chinach.

Inteligentne maszyny pielące

Znikające z rynku substancje czynne, drożejące pestycydy, jak i konieczność redukcji ich zużycia w wyniku nowych, unijnych regulacji prawnych spowodowały, że na popularności zyskują maszyny do mechanicznej pielęgnacji roślin.

Do sprzedaży trafiają nie tylko proste w konstrukcji pielniki, ale również maszyny bardziej zaawansowane techniczne, które można podpinać nie tylko do ciągnika, ale i autonomicznego robota.

Sprawdź również nasz reportaż: Rolnictwo precyzyjne to cyfrowa rewolucja na polskiej wsi?

Z systemem wizyjnym

W konstrukcjach nowoczesnych pielników zastosowanie znajdują systemy wizyjne składające się z kamer i komputerów analizujących obraz. Systemy te rozpoznają rośliny w rzędzie, a następnie względem nich korygują pracę poszczególnych sekcji pielnika.

Innym rozwiązaniem jest automatyczne prowadzenie agregatu na podstawie sygnału GPS (funkcje Auto Pilot). W tym celu jest niezbędna technologia RTK (Real Time Kinematic) zapewniająca dokładność sygnału na poziomie do ± 2 cm. Jednakże, by prowadzić pielnik na podstawie sygnału satelitarnego z wykorzystaniem nawigacji GPS musi być wykonany również siew lub sadzenie roślin.

Nowa generacja maszyn do mechanicznego usuwania chwastów jest wyposażona w elementy robocze, które pielą przestrzeń między roślinami w rzędzie. Maszyny te, zwane również robotami pielącymi, są wyposażone w pojedyncze elementy robocze wykonujące obrót lub pary elementów, które zbiegają i rozsuwają. Te pierwsze są napędzane silnikami elektrycznymi.

Do napędu drugich używa się siłowników pneumatycznych. Obie wersje napędu są sterowane za pomocą komputera pokładowego, który pozyskuje dane za pomocą systemy wizyjnego składającego się z kamer i programu analizującego obraz rzędów roślin. Przykładem takiego robota jest montowana na tylnym TUZ-ie ciągnika maszyna o nazwie IC-Weeder firmy Steketee. Innym rozwiązaniem jest robot o nazwie Robocrop InRow Weeder angielskiej firmy Garford. Robot ten – zależnie od wersji – może być montowany na przednim lub tylnym TUZ-ie ciągnika.