BASF
BASF
BASF

Chemap Agro s.r.o.

Vývojové směry v oblasti precizního zemědělství

17. 12. 2021 Doc. Ing. Milan Kroulík, Ph.D. a kol. Precizní zemědělství Zobrazeno 359x

Moderní technologie proniká do všech oborů lidské činnosti, zemědělství nevyjímaje a zemědělskou produkci a výkonnost výrazným způsobem globálně ovlivňují. S ohledem na rychlost technického vývoje můžeme očekávat, že zemědělství blízké budoucnosti bude velmi odlišné od současného pojetí a nesrovnatelné se zemědělstvím v minulosti. Pochopitelně na začátku budou stát stále zemědělci, kteří se budou vypořádávat s rychlými změnami a jejich zaváděním. Bude to také prostředí trhu a v neposlední řadě spotřebitelé a stále rostoucí populace.

Varistar

Důvody ke změnám

Nové poznatky z oblasti vědy a výzkumu, sociální změny a očekávání nebo měnící se přirozené rámcové podmínky, definují nové cíle pro zemědělskou produkci. Intenzifikace v zemědělství stála vždy na počátku výrazných společenských změn a rozvoje průmyslu. Zpětně se průmyslový pokrok vracel do zemědělství v podobě výkonnějších strojů, energetických a materiálových vstupů. V tuto chvíli však již narážíme na limity ve výkonnosti techniky. Hmotnost strojů nevyhovuje požadavkům na maximální zatížení, nosnost komunikací, mostů a přejezdů omezuje průjezdy, dotížení strojů pro zajištění přenosu síly na podložku je v rozporu s omezování zhutnění půdy. Jistě by se našla řada dalších důvodů.

Jedním z významných aspektů bude bezpochyby také absence zaměstnanců. S očekávaným nárůstem světové populace na 9,8 mld. lidí do roku 2050 výrazně stoupne poptávka po produkci potravin. Je potřeba doplnit, že se z 50 až 70 % počítá s nárůstem městské populace. Sice se očekává navýšení pěstebních ploch, zejména v rozvojových zemích, nicméně produkční plocha na jednoho člověka neustále klesá. Pokud dnes činí nějakých 0,22 ha na člověka, ve zmíněném roce 2050 budeme na hodnotě okolo 0,16 ha. Je tak zřejmé, že navýšení produkce bude vycházet především z navyšování výnosů. Také z tohoto důvodu bude zajištění produkce potravin spojeno s výraznou modifikací výrobních postupů, které se budou opírat o digitální technologie, senzoriku, data a robotiku.

Kolize mezi zemědělci a společností

Zatímco ekonomicky vyspělé státy směřují k extenzifikaci výroby, v ostatních regionech světa intenzita zemědělské výroby narůstá. Jsme tak konfrontováni s řadou, často protichůdných, názorů a požadavků.

Výrazný tlak na efektivitu výroby a ekonomické ukazatele zemědělské výroby uvrhl současné zemědělství do situace, kdy s omezeným zastoupením plodin, pestrostí osevních postupů a zajištěním úrovně produktivity díky vysokému vstupu energií v podobě průmyslových hnojiv, paliv a chemických přípravků, je spojováno s degradací půdních vlastností, krajiny, ekosystémů, včetně spojených mimoprodukčních funkcí. V souvislosti s vnímáním negativních dopadů intenzivní zemědělské výroby sílí tlak veřejnosti na opatření vedoucí k ekologizaci zemědělství a návratu k tradičním osevním postupům.

Zde se dostáváme do zmíněné kolize, zejména pokud si uvědomíme k jak výrazným společenským, ekonomickým a sociálním změnám v posledních letech došlo a jaké jsou v současnosti požadavky na zachování úrovně „blahobytu“ a dostupnosti potravin. Jedná se pochopitelně o výraznou výzvu směrem k vývoji techniky a technologií, které povedou k zajištění udržitelné produkce s respektem k životnímu prostředí.

Následující odstavce dokládají potřebu vývoje technologií, které se budou opírat o nástup informatiky, práci s daty a autonomii.

Nové technologie - precizní zemědělství

Sledování informací, sběr dat jejich analýza, ukládání a následná interpretace budou hlavním nástrojem hledání cest ke zlepšení rozhodování při aplikaci. Pokud je produktivita jakékoliv činnosti omezena nejslabší složkou rámce, potom práce s daty se dostává do popředí zájmu.

Precizní zemědělství není novým pojmem. Pravdou je, že cesty uplatnění technologických postupů rozhodně nebyly tak přímočaré, jak se původně očekávalo. Na druhou stranu, řada z nich dnes nachází reálné uplatnění a další je následují. Je to především technický pokrok, který uvádí řadu z nich do života.

Jedním z nejvýraznějších počinů při znovuoživení zájmu o precizní zemědělství je nasazení přesných navigací. V tomto ohledu se jedná především o družicové navigační systémy a dostupné korekční signály, bezpochyby podpořené rozvojem a budováním telekomunikačních sítí. Dnes se jedná o naprostý standard, který však odstartoval zmíněné oživení zájmu o technologie a otevřel prostor pro uplatnění dalších prvků autonomie v pracovních procesech. Logickým krokem v dalším rozšíření a uplatnění navigací je autonomní otáčení strojů na souvratích a s tím spojené ovládání nářadí. Ačkoliv je satelitní navigace jakýmsi synonymem precizního zemědělství, bez technického rozvoje na poli senzorové techniky by nebylo možné uvažovat o rozvoji nových technologií.

Senzory

Klíčovým prvkem v oblasti precizního zemědělství jsou senzory a algoritmy pro správu a interpretaci dat. Řada senzorů je dnes nabízena komerčně, celá řada senzorové techniky se vyvíjí.

S pojmem senzorová technika se váže další pojem, a tím je internet věcí (IoT). Odhaduje se dokonce, že s novými technickými možnostmi má internet věcí potenciál zvýšit zemědělskou produktivitu do roku 2050 o 70 %.

Vysoké zastoupení senzorové techniky s sebou nesou již samotné stroje, další se přidávají v podobě senzorů optických, radiometrických, elektrických mechanických, elektrochemických a dalších. Senzorová technika může být rovněž instalována na pozemcích, kde měří, zaznamenává a přenáší údaje o vlastnostech půdy, rostlin, šíření škůdců apod.

Obrovský vzestup zaznamenal obor zvaný dálkový průzkum Země (DPZ). Základním nositelem informací v rámci DPZ je snímek, pořízený pomocí specifických senzorů z různých typů platforem, ať už se jedná o družice, letadla, či v posledních letech velmi oblíbené bezpilotní prostředky.

Algoritmy pro správu a interpretaci dat

Podstatnou součástí celého systému bude tvorba algoritmů. Zatímco senzorová technika přenáší informace z reálného světa do prostředí virtuálního, algoritmy mají za úkol tyto informace zpracovávat, propojovat a interpretovat do rozhodovacích procesů. Tradiční rozhodování, založené na zkušenostech farmáře, bude postupně doplňováno a pravděpodobně nahrazováno výstupy umělé inteligence, která bude do strojů přidávána. Změna povahy jednotlivých lidských činností se bude stále více opírat o prvky nejen umělé inteligence a IoT, ale také další pojmy, které se nakonec již dnes stávají součástí našich slovníků: Big data, autonomní roboti, cloudové výpočty, 3D tisk, In-doorfarming, nanotechnologie, genetika, datová uložiště, aditivní výroba, umělá inteligence, M2M (machine to machinecomunication).

Každopádně se výrazně posílí hodnocení získaných dat v reálném čase a data budou využívána jako prediktivní informace. Kromě předpovědních modelů pro vegetace se prediktivních informací často využívá v servisních úkolech. Pokud bude k dispozici velký objem dat z rozdílných strojů, ke kterým bude přiřazen například režim a podmínky práce, bude rovněž možné vypracovat předpokládané scénáře vzniku závad, které s sebou během vzniku nesou stopu v přenášených datech. Řadě poruch tak budeme moci předejít díky včasné diagnostice a adekvátnímu servisnímu zásahu. Tento postup opět vede k vyšší produktivitě a efektivitě včetně optimalizace práce servisního technika. Telematický přenos dat rovněž umožní sdílení dat s dalšími zúčastněnými osobami a partnery, kterým může být výrobce, prodejce zařízení nebo servisní středisko.

Telematika

Dotkli jsme se dalšího významného trendu v oblasti zemědělství, a tím je telematika a vzdálená komunikace mezi operátorem a stroji. S technologickým pokrokem se jednotlivá technická řešení stávají sofistikovanějšími, protože propojují informace a data z rozdílných zdrojů a oborů do společné funkcionality. Nároky stoupají směrem k personálním zdrojům na více úrovní od vedoucích pracovníků po obsluhy samotné techniky. Vyšší složitost v rozhodovacích procesech bude klást nároky především na vedoucí pracovníky, kteří ponesou i jistý díl zodpovědnosti. Rovněž bude výrazně posílena kancelářská práce.

Významným počinem pro efektivní uplatnění moderních technologií bude zařazení telematického sběru a sdílení dat skrze vzdálené cloudové úložiště, se kterým budou komunikovat jednotlivé stroje a kancelářské počítače. Prostřednictvím telematiky budou navíc datové záznamy nebo předpisové mapy předávány oboustranně. Příkladem může být vzájemná komunikace se stroji, které zakládají porosty, porosty ošetřují nebo hnojí.

Parametry nastavení strojů mohou vycházet z aplikačních map výsevku nebo hnojení, které byly s předstihem vytvořeny. Tyto tzv. předpisové mapy jsou předávány strojům přes vzdálené úložiště. Nastavení je možné vzdáleně upravovat podle aktuální situace. Během práce budou také využity předem definované jízdní stopy. Tyto jízdní trajektorie a kolejové řádky, optimalizované podle tvaru a svažitosti pozemku, sníží počet nepracovních přejezdů a opakovaných aplikací přípravků a hnojiv v důsledku překrývání záběrů. Jízdní trajektorie následně přebírají strojní soupravy, které budou pracovat na pozemcích během sezony. Jedná se o operace ochrany rostlin, hnojení až po sklizeň.

Díky telematickému propojení bude možné s předstihem připravovat aplikační mapy, případně vyznačovat vyloučené zóny, kde je omezena chemická ochrana a hnojení. Předem připravené aplikační mapy budou opět transportovány do palubního počítače postřikovačů a rozmetadel. K nastavení stroje dochází v okamžiku spuštění stroje nebo v okamžiku vstupu na pole díky znalosti polohy stroje. V samotných strojích se zaznamenávají data o průběhu práci a zase se automaticky přenáší zpět. Tato data je možné analyzovat, archivovat a případně používat v dalším rozhodování.

Společně s potřebou přenosu dat bude postupně zaváděn nový standard telekomunikační přenosové sítě, označovaný jako 5G. Zatímco dnes využíváme sítě především pro vzájemnou komunikaci, tento bezdrátový standard není jen rychlejší než jeho předchůdci s orientací na potřebu vysoké rychlosti přenosu dat (GB/s) na jedné straně a rychlou dobou odezvy na straně druhé (1 ms). Dále 5G sítě nabízí rychlou reakci na pokyny uživatelů, vzájemnou koordinaci strojů, M2M komunikaci, podporu IoT a celkový rozvoj autonomie a robotiky.

Obecně lze říci, že zavádění uvedených pojmů do reálných aplikací a oborů je souhrnně označováno slovem SMART. Pojem SmartFarming lze považovat za nástupní směr pro technologie precizního zemědělství.

Robotika

Řada diskutovaných témat v zemědělství poukazuje na jeden z předpokládaných vývojových směrů, a tím je robotika. Uplatnění robotiky bezpochyby napomůže řešit mnohdy kritický nedostatek pracovní síly, rostoucí mzdové náklady, ale také výpomoc s jednotvárnou, namáhavou nebo nebezpečnou prací. Práce je často velmi monotónní, extrémně se opakující, s požadavkem na maximální soustředění na prováděné úkony. V řadě případů lze hovořit také o sociálním odloučení.

Z hlediska robotiky v zemědělství můžeme vycházet ze dvou konceptů. Stejně jako je organizována průmyslová výrobní linka, existují provozy, kde je vše předem dáno a známo a robotický systém se pohybuje a pracuje v předem definovaném prostředí a prostoru. Mezi uvedené systémy jistě patří skleníkové provozy, ale také úkony v živočišné výrobě. Výrazný podíl robotů do zemědělství v současné době tedy míří především do živočišné výroby.

Polní robotika představuje úkol náročnější, kdy musíme zahrnout především rozmanitost skutečného prostředí a zahrnout poznatky do rozhodovacích procesů. Roboti z tohoto hlediska bude vyžadovat dostatek vnitřně zabudované inteligence, aby byly schopny samostatného chování po delší časové období, bez dozoru, v provozním prostředí při provádění potřebných úkolů. Jako velmi perspektivní směr pro uplatnění robotů je koncept kooperace lidí a robotů.

Kooperaci robotů a člověka můžeme popsat na několika příkladech praktického uplatnění. Člověk dozoruje práci robotického systému a využívá svých znalostí prostředí a jeho anomálií k řešení nepředvídatelných situací, se kterými si snadno poradí. Robot je využíván pro své silnější stránky, jako je rychlost, efektivita a přesnost zásahu.

Na druhou stranu je zapotřebí poukázat na faktory, které je nutné při zavádění robota do provozu zohlednit. Zemědělský robot sám o sobě mnoho nezmůže, potřebujeme podpůrné systémy, manipulaci s materiálem, zajištění vstupů na pole (osivo, hnojiva, atd.), případně odvoz z pole (zrno, balíky sena). Dále je to doplňování energie, včetně možného řešení v podobě elektromobility. Rovněž určování polohy založené na satelitní navigaci není dostatečné. V neposlední řadě je třeba pamatovat na bezpečnostní systémy a právní předpisy a omezení, která jsou stále v přípravě. Přechod k robotice tak bude od farmy vyžadovat výrazně změny a připravenost.

Obr. 1: Snímek porostu řepky, pořízený v nepravých barvách bezpilotním prostředkem a detail poškození, který dokládá velikost poškozených ploch; datum pořízení 29. 10. 2020
Obr. 1: Snímek porostu řepky, pořízený v nepravých barvách bezpilotním prostředkem a detail poškození, který dokládá velikost poškozených ploch; datum pořízení 29. 10. 2020

Obr. 2: NDVI index porostu řepky na zájmovém pozemku
Obr. 2: NDVI index porostu řepky na zájmovém pozemku

Obr. 3: Polygon s ohraničenými ohnisky poškození, který je zároveň již aplikační mapou
Obr. 3: Polygon s ohraničenými ohnisky poškození, který je zároveň již aplikační mapou

Praktické použití při ochraně rostlin

Na praktické ukázce si můžeme předvést vzájemnou součinnost několika postupů od sběru dat, po telematický přenos po aplikaci a záznam dat. Moderní postřikovač prezentuje dva směry pro jeho vnímání. Na jedné straně se jedná o klíčový prostředek zemědělských podniků, s rozhodujícím dopadem na výnos a kvalitu produkce. Společensky je vnímán negativně stejně jako chemické přípravky. Společně s tlakem na omezování používání přípravků a minerálních hnojiv stoupají požadavky na technické vybavení a funkce postřikovače. K těm patří možnost ovládání, resp. vypínání a zapínání jednotlivých sekcí, stále častěji trysek, možnost variabilních aplikací, plánování jízd, přesný záznam práce, telematika a pochopitelně konstrukční řešení postřikového rámu.

Na obrázku 1 je snímek pořízený bezpilotním prostředkem. Ten byl osazen multispektrální kamerou. Kromě viditelného spektra je možné pořizovat snímky v blízkém infračerveném spektru. Na základě vegetačních indexů, v našem případě NDVI indexu (obr. 2), bylo možné snadno identifikovat místa poškozená hrabošem polním. Forma ošetření spočívala v lokálně cílené aplikaci na poškozené plochy, případně ošetření porostu s vynecháním bezporostních ploch. Snímek byl následně převeden do vektorového formátu (obr. 3), byl zvolen práh citlivosti pro vyloučení velmi malých ploch, a takto vytvořená mapa již byla přenesena do terminálu postřikovače.

Na základě výpočtu ploch jednotlivých ohnisek je možné stanovit úroveň poškození, která činila 15 % plochy pozemku. Do poškození se také zaznamenala souvrať, kde došlo ke kombinaci působení škodlivých činitelů.

Pro aplikaci byl použit samojízdný postřikovač John Deere R4150i, který byl vybaven systémem ExactApply, kdy je každá tryska ovládána samostatně pomocí pulzní modulace. Variabilní, resp. selektivní aplikaci je tak možné provádět na úrovni záběru jedné trysky. Práci během selektivního ošetření dokládá obrázek 4, kdy je na posvícených ramenech patrné vypínání a zapínání trysek, podle mapy. Aplikační mapu je následně možné vyexportovat (obr. 5).

Obr. 4: Práce postřikovače během selektivního ošetření porostu
Obr. 4: Práce postřikovače během selektivního ošetření porostu

 Obr. 5: Záznam z aplikace, které je možné využít k archivaci, dokumentování aplikace nebo jako další informační vrstvu pro následné operace
Obr. 5: Záznam z aplikace, které je možné využít k archivaci, dokumentování aplikace nebo jako další informační vrstvu pro následné operace

Závěr

Aplikace prvků precizního zemědělství může mít mnoho podob a technický pokrok dává řadě vizí reálnou podobu. S vývojem a využitím moderních technických prvků strojů postupně klesá měřítko pro monitoring a následné zásahy.

Na vrcholu vývojového stupně bezesporu stojí roboti. Již dnes je možno na našich polích jejich práci pozorovat.

 

Prezentované výstupy byly získány s podporou projektu „Inovace v managementu ochrany a hnojení rostlin založené na zavádění telematických systémů“, registrační číslo projektu 18/006/16210/780/000024.

Doc. Ing. Milan Kroulík, Ph.D., Ing. Pavel Hamouz, Ph.D.; Centrum precizního zemědělství při České zemědělské univerzitě v Praze
Ing. Jaroslav Pinkas; České vysoké učení technické v Praze

Související články

Současný trend v robotizaci ochrany rostlin

23. 12. 2021 Ing. Štěpánka Radová, Ph.D.; Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský Brno Precizní zemědělství Zobrazeno 283x

Robbotti Tour 2021 představila budoucnost na mnoha polích

21. 12. 2021 Ing. Petr Štěpánek, Ph.D.; Agromanuál Precizní zemědělství Zobrazeno 225x

Rok se službami FarmSight: Velkostatek Tetín

09. 12. 2021 Ing. Lešek Podhorský; STROM PRAHA a.s. Precizní zemědělství Zobrazeno 288x

AG Tracker: Nejen inteligentní GPS monitoring pro zemědělství

28. 10. 2021 Ing. Pavel Palas; AG info, s.r.o. Precizní zemědělství Zobrazeno 429x

Další články v kategorii Precizní zemědělství

detail