Credito:South Dakota State University
Nell'ultimo decennio, la ricerca agricola è diventata sempre più avanzata, in gran parte a causa dei veicoli aerei senza pilota, altrimenti noti come droni. Alla South Dakota State University, i droni sono stati integrati in una varietà di attività di ricerca, ma sono stati probabilmente i più impattanti nella ricerca agricola.
Negli ultimi anni Maitiniyazi Maiimaitijiang, un assistente professore presso il Dipartimento di Geografia e Scienze Geospaziali, ha lavorato insieme ad altri membri della facoltà per condurre ricerche agricole legate ai droni, in particolare in relazione alla diagnosi precoce dello stress idrico delle colture, della carenza di nutrienti , salute e malattie delle colture:principali minacce alla sicurezza alimentare e alle stime della resa delle colture.
"Stiamo cercando di sviluppare soluzioni e strumenti solidi, rapidi, accurati e operativi per rilevare e diagnosticare lo stress idrico delle colture, la carenza di nutrienti e la salute e le malattie delle colture, in particolare la diagnosi precoce", ha affermato Maimaitijiang. "Stiamo cercando di sviluppare alcuni nuovi algoritmi utilizzando satelliti, droni, intelligenza artificiale, utilizzando diversi tipi di informazioni, per rilevarlo in anticipo prima che i sintomi diventino visibili. Perché una volta che diventa visibile, il controllo potrebbe essere troppo tardi".
Una volta che la malattia diventa visibile a livello delle foglie, anche lo spray può diventare inutile, ha osservato Maimaitijiang.
In precedenza, il metodo tradizionale per rilevare le malattie delle colture era laborioso e richiedeva tempo, richiedendo ore e ore di noiosa raccolta di dati su acri e acri di campi. La tecnologia dei droni ha creato un metodo più efficiente e affidabile per rilevare le malattie delle colture. Sebbene non sia ancora una scienza perfetta, il deep learning ha fatto passi avanti nel campo dell'elaborazione digitale delle immagini, che, combinata con la tecnologia dei droni, ha spinto la ricerca agricola in avanti negli ultimi anni.
Maimaitijiang e Shahid Khan, uno studente di dottorato, hanno trascorso gli ultimi mesi a raccogliere dati utilizzando droni per approfondire le loro ricerche. Di seguito è riportata una sinossi dei dettagli di diventare un pilota di droni e una carrellata del loro processo di ricerca.
Diventare pilota di droni
Maimaitijiang ha iniziato la sua carriera nei droni nel 2015 presso la Saint Louis University, dove ha conseguito il dottorato di ricerca.
"Ho lavorato nel laboratorio di telerilevamento lì", ha detto Maimaitijiang. "La maggior parte del mio lavoro riguardava i droni."
Tra il 2015 e il 2022, l'industria dei droni è aumentata notevolmente. Nel 2020, il mercato dei droni commerciali è stato fissato a 13,44 miliardi di dollari e si prevede che raddoppierà ogni due anni fino al 2028.
Il Dipartimento di Geografia e Scienze Geospaziali SDSU, gli esperti de facto di droni del campus, ha risposto alla crescita del settore e ha iniziato a offrire istruzioni sui droni nel 2017. Ora, il dipartimento offre un certificato in sistemi di aeromobili senza pilota, che richiede 12 ore di credito, e lo farà offrire un'ora minore di 18 crediti nei sistemi di aeromobili senza pilota, prevista per l'autunno 2023.
La classe principale per l'istruzione sui droni all'SDSU è "GEOG 270, Introduzione ai sistemi di aeromobili senza pilota di piccole dimensioni". GEOG 270 è in qualche modo un corso "melting pot", con studenti di aviazione, agricoltura, agricoltura di precisione e programmi di gestione delle costruzioni, tra gli altri, che si uniscono tutti per imparare a pilotare e far funzionare i droni. Un altro corso chiave GEOG 483/583 UAS Remote Sensing forma gli studenti con molteplici strumenti e competenze per l'elaborazione delle immagini dei droni che genera mappe e prodotti utilizzabili.
Dopo aver frequentato quel corso, gli studenti hanno le conoscenze per superare il certificato di pilota a distanza Part 107 della Federal Aviation Administration, un requisito per il funzionamento commerciale di un drone. Tutti i ricercatori che incorporano i droni nel loro lavoro devono superare il test della FAA.
Khan ricorda di essere stato un po' nervoso prima di sostenere il suo test di certificazione FAA. Aveva studiato due o tre ore al giorno per circa una settimana, ma non era ancora convinto che sarebbe passato.
"Pensavo che potesse essere difficile e che avrei potuto fallire", ha detto Khan. "Ma ci sono andato, ho fatto il test ed è andato molto bene. Ho superato e ho ottenuto la certificazione."
Dopo aver ottenuto la sua licenza FAA, Khan è stato in grado di iniziare a pilotare droni. Ma invece di pilotare i droni di livello commerciale utilizzati durante la raccolta dei dati, Maimaitijiang ha incaricato Khan di imparare a pilotare un drone molto più impegnativo:un DEERC D20, un "mini" drone da $ 50 progettato per i bambini.
"Quello in realtà non è facile da pilotare", ha detto Maimaitijiang. "Non ha GPS o barometro, quindi non c'è la modalità di hovering automatico. Può essere molto instabile."
Usando questi droni "hobby", Khan e altri studenti di dottorato si preparano a pilotare i droni di livello commerciale. Dopo 20 ore di formazione, in cui si esercitano su diversi atterraggi, decolli e traiettorie di volo, gli studenti sono pronti per i "grandi campionati".
"Una volta che ti sei abituato a quello, è molto più facile pilotare questi (droni) più grandi", ha detto Khan.
Far volare i droni di livello commerciale è sorprendentemente piuttosto semplice, ha detto Maimaitijiang.
"Il motivo principale è perché la maggior parte di questi droni commerciali dispone di ottimi dispositivi GPS e barometro", ha spiegato Maimaitijiang. "Quando decollo, può regolare automaticamente la sua posizione e rimanere sospeso lì, anche quando togli le mani dai comandi."
I droni possono anche essere programmati per andare in missioni autonome. Prima di partire per un campo di ricerca, Maimaitijiang e i suoi studenti programmeranno una traiettoria di volo per il drone.
"Prima del volo, devi pianificare la missione", ha detto Maimaitijiang. "È necessario programmare l'altezza di volo, la velocità di volo, le traiettorie di volo:tutti quei parametri necessari per definire il preflight e quindi inviare queste informazioni al drone."
Una volta sul campo, il drone volerà da solo e Maimaitijiang potrà concentrarsi sui dati raccolti. A causa delle regole FAA, tuttavia, è necessario che ci sia ancora qualcuno che tenga il controller del drone.
"Cariciamo la missione e con un solo clic decollerà automaticamente, raccoglierà i dati e poi tornerà", ha spiegato Maimaitijiang.
Alcuni droni possono volare per circa due ore e altri possono volare per 30 minuti:tutto dipende dal tipo di droni (ala fissa o drone rotante) e anche dal carico utile e dalla quantità di equipaggiamento che trasporta. Di solito coprono tra 10 e 50 acri durante un volo.
"Questi sono i principali limiti di questi droni", ha detto Khan. "Non puoi coprire troppa area usando queste batterie."
Ci sono alcune restrizioni che i piloti di droni devono tenere a mente. I droni non dovrebbero volare oltre i 400 piedi di altezza e, per molte situazioni di volo, richiedono l'approvazione dell'aeroporto locale se l'area di volo è vicina. I piloti devono anche avere a portata di mano piani di emergenza, assicurazione e approvazione da parte dei proprietari terrieri.
La maggior parte dei droni non può essere pilotata mentre piove, ma può essere pilotata durante l'inverno, purché non sia troppo freddo o troppo ventoso. Per i droni rotanti, la velocità del vento spesso deve essere inferiore a 15 mph e non può avere raffiche superiori a 20 mph per sicurezza, una sfida in South Dakota. Anche questi tipi di droni non possono sopportare il calore estremo. Affinché i dati possano essere raccolti in modo accurato, le condizioni devono essere favorevoli e molto miti.
"Ecco perché quando fai il test FAA per la certificazione, ci sono molte domande relative al tempo perché vogliono davvero che tu sia consapevole delle nuvole, del vento e di tutto il resto", ha detto Khan. "Una cosa su cui si concentrano in modo specifico è che devi pianificare in base al tempo. Quindi, prima di pianificare il volo in località specifiche, devi controllare il tempo."
Sebbene i droni siano assolutamente necessari per la raccolta dei dati, sono semplicemente un veicolo per l'attrezzatura di ricerca più importante e costosa:i sensori. Mentre i droni di fascia alta necessari per il tipo di ricerca di Maimaitijiang possono essere compresi tra $ 5.000 e $ 15.000, i sensori a infrarossi necessari per raccogliere i dati possono essere da cinque a 10 volte più costosi.
"Alcuni sensori sono compatibili con alcuni droni, mentre altri no. Il drone è solo il veicolo per trasportare quei sensori", ha detto Khan. "Sono davvero come la spina dorsale del sistema."
I sensori iperspettrali sono in realtà solo fotocamere di fascia alta che raccolgono i dati in diverse gamme di spettri elettromagnetici, ha affermato Khan.
Raccolta dati
Quando il tempo coopererà abbastanza per far volare il drone, Maimaitijiang si recherà in varie fattorie e campi di ricerca per raccogliere dati. Nei campi, farà volare droni di livello commerciale a varie altezze, che raccolgono dati utilizzando i sensori ad alte prestazioni.
"Quando vola su un campo di grano, ad esempio, raccoglie immagini", ha detto Maimaitijiang. "Utilizziamo queste immagini, ora etichettate come dati, per addestrare modelli di machine learning di intelligenza artificiale. Può quindi rilevare automaticamente se c'è una malattia".
Utilizzando queste informazioni, gli agricoltori sarebbero in grado di applicare una quantità specifica di spray chimico per il controllo della resistenza ai fungicidi in luoghi specifici (in modo più efficiente) per liberare il loro campo dalla malattia, ha osservato Maimaitijiang.
"Possiamo utilizzare le tecniche dei droni per ottenere automaticamente lo stato di crescita, l'altezza della chioma, la salute delle colture e il livello di malattia, i nutrienti e il livello di stress idrico e prevedere la resa finale", ha affermato Maimaitijiang. "Prendiamo semplicemente quei dati (che sono stati raccolti da un passaggio di droni) e costruiamo alcuni modelli di intelligenza artificiale per guidare i dati. Questo modello usa i dati per rilevare quei diversi parametri."
I dati raccolti dai droni sono utili sia per gli agricoltori che per gli allevatori in quanto sono in grado di accelerare il processo di riproduzione del fenotipo vegetale con un'elevata efficienza, ha affermato Maimaitijiang.
Khan, che in precedenza ha pubblicato un articolo di ricerca sulle previsioni della resa dei raccolti utilizzando i dati di telerilevamento dei satelliti, sta facendo un lavoro simile ora, tranne per il fatto che al posto dei satelliti sta usando i droni.
"Attualmente, quello che stiamo facendo è far volare droni su colture diverse in diverse fasi del ciclo di crescita, come la fase iniziale, nella fase di crescita e poi alla maturità", ha detto Khan. "Voliamo da 10 a 12 volte ogni stagione di raccolto."
I dati raccolti dalle colture vengono quindi correlati alla resa delle colture e ad altri parametri, ha affermato Khan. Il suo lavoro di ricerca specifico sta cercando di stimare accuratamente la resa del raccolto prima del raccolto.
L'obiettivo principale della ricerca di Khan è rendere i raccolti più efficienti per gli agricoltori.
"Un'altra cosa è che, prima del raccolto, (gli agricoltori) possono vedere cosa sta succedendo nei loro raccolti", ha detto Khan. "Quindi, se hanno bisogno di fare qualche intervento o se hanno bisogno di prendere alcune decisioni, come aumentare i fertilizzanti o qualcos'altro, può aiutarli nel processo decisionale ad aumentare la resa o controllare le malattie".
Usi futuri
In futuro, Khan vuole continuare a ricercare le caratteristiche delle colture attraverso i droni mentre si avventura in un maggiore monitoraggio delle malattie. Sta anche cercando di lavorare con i ricercatori dei college tribali per cercare specie invasive utilizzando la tecnologia dei droni.
Man mano che i droni continuano a filtrare sempre più nel mainstream, le scoperte continueranno a verificarsi, ha teorizzato Maimaitijiang.
"I droni hanno reso la ricerca molto più semplice", ha detto Maimaitijiang. "Integrati con l'intelligenza artificiale, nella selezione delle piante, i droni ag di precisione stanno sostanzialmente rivoluzionando lo scouting delle colture in quei campi". + Esplora ulteriormente
