Kredit:South Dakota State University
Under det senaste decenniet har jordbruksforskningen blivit mer och mer avancerad – till stor del på grund av obemannade flygfarkoster, även kända som drönare. Vid South Dakota State University har drönare blivit integrerade i en mängd olika forskningsaktiviteter men har utan tvekan varit den mest påverkande inom jordbruksforskning.
Maitiniyazi Maimaitijiang, biträdande professor vid institutionen för geografi och geospatial vetenskap, har arbetat tillsammans med andra fakultetsmedlemmar för att bedriva drönarrelaterad ag-forskning under de senaste åren, särskilt i relation till tidig diagnos av grödans vattenstress, näringsbrist , grödors hälsa och sjukdomar – stora hot mot livsmedelssäkerheten och uppskattningar av skördar.
"Vi försöker utveckla robusta, snabba, exakta och operativa lösningar och verktyg för att upptäcka och diagnostisera grödans vattenstress, näringsbrist och grödans hälsa och sjukdomar - särskilt tidig upptäckt," sa Maimaitijiang. "Vi försöker utveckla några nya algoritmer genom att använda satelliter, använda drönare, använda artificiell intelligens, använda olika typer av information, för att upptäcka detta i förväg innan symptomen blir synliga. För när det väl blir synligt kan kontrollen vara för sent."
När sjukdomen väl blir synlig på bladnivån kan till och med spray bli värdelös, noterade Maimaitijiang.
Tidigare var den traditionella metoden för att upptäcka växtsjukdomar mödosam och tidskrävande – vilket krävde timmar och timmar av mödosamt insamling av data över tunnland och tunnland fält. Drönarteknik har skapat en mer effektiv och tillförlitlig metod för att upptäcka växtsjukdomar. Även om det fortfarande inte är en perfekt vetenskap, har djupinlärning gjort genombrott inom området för digital bildbehandling, vilket i kombination med drönarteknologi har drivit forskningen framåt under de senaste åren.
Maimaitijiang och Shahid Khan, en doktorand, har ägnat de senaste månaderna åt att samla in data med hjälp av drönare för att främja sin forskning. Nedan är en sammanfattning av ins och outs för att bli en drönarpilot och en sammanfattning av deras forskningsprocess.
Bli en drönarpilot
Maimaitijiang fick sin första start i drönare 2015 vid Saint Louis University, där han tog sin doktorsexamen.
"Jag arbetade i fjärranalyslabbet där," sa Maimaitijiang. "Det mesta av mitt arbete var drönarerelaterade saker."
Mellan 2015 och 2022 ökade drönarindustrin avsevärt. År 2020 var den kommersiella drönarmarknaden bunden till 13,44 miljarder dollar och förväntas fördubblas vartannat år fram till 2028.
SDSU Institutionen för geografi och geospatial vetenskap, de facto drönarexperterna på campus, svarade på branschens tillväxt och började erbjuda drönarinstruktioner 2017. Nu erbjuder institutionen ett certifikat i obemannade flygplanssystem, vilket kräver 12 kredittimmar, och kommer att erbjuda en 18-timmars mindreårig i obemannade flygplanssystem – preliminärt planerad att starta hösten 2023.
Den primära klassen för drönarinstruktion vid SDSU är "GEOG 270, Introduction to Small Unmanned Aircraft Systems." GEOG 270 är något av en "smältdegel"-kurs, där studenter från bland annat flyg-, jordbruks-, precisionsjordbruk och byggledningsprogram samlas för att lära sig att flyga och använda drönare. En annan nyckelkurs GEOG 483/583 UAS Remote Sensing utbildar studenter med flera verktyg och färdigheter för drönarbildbehandling som genererar användbara kartor och produkter.
Efter att ha tagit den klassen har eleverna kunskapen att klara Federal Aviation Administrations Part 107 Remote Pilot Certificate – ett krav för kommersiell drift av en drönare. Alla forskare som införlivar drönare i sitt arbete måste klara FAA:s test.
Khan minns att han var lite nervös innan han tog sitt FAA-certifieringstest. Han hade studerat två till tre timmar om dagen i ungefär en vecka men var fortfarande inte övertygad om att han skulle klara sig.
"Jag trodde att det kunde vara svårt och att jag kunde misslyckas," sa Khan. "Men jag gick dit, tog provet och det gick väldigt bra. Jag klarade och blev certifierad."
Efter att ha fått sin FAA-licens kunde Khan börja flyga drönare. Men i stället för att flyga de kommersiella drönarna som användes under datainsamlingen, instruerade Maimaitijiang Khan att lära sig flyga en mycket mer utmanande drönare:en DEERC D20 – en "mini" drönare för 50 $ designad för barn.
"Den där är faktiskt inte lätt att flyga," sa Maimaitijiang. "Den har ingen GPS eller barometer så det finns inget automatiskt svävningsläge. Det kan vara väldigt instabilt."
Med hjälp av dessa "hobby" drönare förbereder Khan och andra doktorander för att flyga de kommersiella drönarna. Efter 20 timmars träning, där de övar på olika landningar, starter och flygbanor, är eleverna redo för de "stora ligorna."
"När du vänjer dig vid den är det mycket lättare att flyga de här större (drönarna)," sa Khan.
Att flyga drönare av kommersiell kvalitet är förvånansvärt ganska enkelt, sa Maimaitijiang.
"Den främsta anledningen är att de flesta av dessa kommersiella drönare har mycket bra GPS- och barometerenheter," förklarade Maimaitijiang. "När du lyfter kan den automatiskt justera sin position och sväva där, även när du tar händerna från kontrollerna."
Drönare kan också programmeras för att gå på autonoma uppdrag. Innan Maimaitijiang och hans elever ger sig ut till ett forskningsfält kommer de att programmera in en flygbana för drönaren.
"Innan flygningen måste du göra uppdragsplaneringen," sa Maimaitijiang. "Du behöver program i flyghöjd, flyghastighet, flygvägar – alla dessa parametrar du behöver för att definiera preflight och sedan skicka denna information till drönaren."
Väl framme på fältet kommer drönaren att flyga själv och Maimaitijiang kan fokusera på den data som samlas in. På grund av FAA-reglerna måste det dock fortfarande finnas någon som håller i drönarens kontroller.
"Vi laddar upp uppdraget och med bara ett klick lyfter det automatiskt, samlar in data och kommer sedan tillbaka", förklarade Maimaitijiang.
Vissa drönare kan flyga i cirka två timmar, och andra kan flyga i 30 minuter – allt beror på typen av drönare (fast vinge eller roterande drönare), och även nyttolasten och mängden utrustning den bär. De täcker vanligtvis mellan 10 och 50 hektar under en flygning.
"Det är de huvudsakliga begränsningarna för dessa drönare," sa Khan. "Du kan inte täcka för mycket område med dessa batterier."
Det finns några begränsningar som drönarpiloter måste ha i åtanke. Drönare är inte tänkta att flyga över 400 fot höga och kräver för många flygsituationer godkännande från den lokala flygplatsen om flygområdet är nära. Piloter behöver också ha beredskapsplaner, försäkringar och godkännande från markägare till hands.
De flesta drönare kan inte flygas när det regnar men de kan flygas under vintern, så länge det inte är för kallt eller för blåsigt. För roterande drönare behöver vindhastigheterna ofta vara under 15 mph och kan inte ha vindbyar över 20 mph för säkerhets skull - en utmaning i South Dakota. Dessa typer av drönare kan inte heller hantera extrem värme. För att data ska kunna samlas in korrekt måste förhållandena vara gynnsamma och mycket milda.
"Det är därför när du tar FAA-testet för certifiering, det finns många väderrelaterade frågor eftersom de verkligen vill att du ska vara medveten om molnen, vinden och allt annat," sa Khan. "En sak som de specifikt fokuserar på är att du måste planera efter vädret. Så innan du planerar för flygning på specifika platser måste du kontrollera vädret."
Medan drönare är absolut nödvändiga för datainsamling, är de helt enkelt ett fordon för den viktigare och dyrare forskningsutrustningen:sensorerna. Medan avancerade drönare som behövs för den typ av forskning Maimaitijiang gör kan kosta mellan $5 000 och $15 000, kan de infraröda sensorerna som behövs för att samla in data vara fem till 10 gånger dyrare.
"Vissa sensorer är kompatibla med vissa drönare, medan andra inte är det. Drönaren är bara fordonet för att bära dessa sensorer", sa Khan. "De är verkligen som ryggraden i systemet."
De hyperspektrala sensorerna är egentligen bara mycket avancerade kameror som samlar in data i olika intervall av elektromagnetiska spektrum, sa Khan.
Samlar in data
När vädret samarbetar tillräckligt för att flyga drönaren kommer Maimaitijiang att resa till olika gårdar och forskningsfält för att samla in data. På fälten kommer han att flyga drönare av kommersiell kvalitet på olika höjder, som samlar in data med hjälp av högpresterande sensorer.
"När den flyger över ett vetefält - till exempel - samlar den bilder," sa Maimaitijiang. "Vi använder dessa bilder - nu märkta som data - för att träna artificiell intelligens maskininlärningsmodeller. Den kan sedan automatiskt upptäcka om det finns sjukdom."
Med hjälp av denna information skulle bönder kunna applicera en specifik mängd kemisk spray för kontroll av fungiciderresistens på specifika platser (på ett mer effektivt sätt) för att befria deras sjukdomsområde, noterade Maimaitijiang.
"Vi kan använda drönartekniker för att automatiskt få tillväxtstatus, kronans höjd, grödans hälsa och sjukdomsnivå, näringsämnen och vattenstressnivå och förutsäga den slutliga avkastningen," sa Maimaitijiang. "Vi tar bara den datan (som samlades in från ett drönarpass) och bygger några modeller för artificiell intelligens för att driva data. Den här modellen använder data för att upptäcka de olika parametrarna."
De insamlade data från drönarna är fördelaktiga för både bönder och uppfödare eftersom de kan påskynda växtfenotypförädlingsprocessen med hög effektivitet, sa Maimaitijiang.
Khan, som tidigare har haft en forskningsartikel publicerad om skördeförutsägelser med hjälp av fjärranalysdata från satelliter, gör liknande arbete nu, förutom att han istället för satelliter använder drönare.
"För närvarande är det vi gör att flyga drönare över olika grödor i olika skeden av odlingscykeln - som tidigt stadium, in i odlingsstadiet och sedan vid mognad," sa Khan. "Vi flyger 10 till 12 gånger varje odlingssäsong."
De insamlade data från grödorna är sedan korrelerade med skörden och andra parametrar, sade Khan. Hans specifika forskningsarbete går ut på att noggrant uppskatta skörden före skörd.
Det övergripande målet för Khans forskning är att göra skörden mer effektiv för jordbrukare.
"En annan sak är att innan skörden kan (bönder) se vad som händer i deras grödor," sa Khan. "Så, om de behöver göra något ingripande eller om de behöver fatta några beslut, som att öka gödselmedel eller något annat, kan det hjälpa dem i beslutsprocessen att öka avkastningen eller kontrollera sjukdomen."
Framtida användningsområden
I framtiden vill Khan fortsätta att forska om grödans egenskaper genom drönare samtidigt som han vågar sig på mer sjukdomsövervakning. Han vill också arbeta med forskare vid stamhögskolor för att söka upp invasiva arter med hjälp av drönarteknik.
När drönare fortsätter att filtrera mer och mer in i mainstream, kommer genombrott att fortsätta hända, teoretiserade Maimaitijiang.
"Drönare har gjort forskningen mycket lättare," sa Maimaitijiang. "Integrerad med artificiell intelligens, i växtförädling, revolutionerar precisions-ag-drönare i grund och botten scouting av grödor på dessa fält." + Utforska vidare
