In de afgelopen tien jaar is landbouwonderzoek steeds geavanceerder geworden, grotendeels dankzij onbemande luchtvaartuigen, ook wel bekend als drones. Aan de South Dakota State University zijn drones geïntegreerd in een verscheidenheid aan onderzoeksactiviteiten, maar hebben ze misschien wel de meeste impact gehad in landbouwonderzoek.

Maitiniyazi Maimaitijiang, een assistent-professor bij de afdeling Geografie en Geospatiale Wetenschappen, heeft de afgelopen jaren samengewerkt met andere faculteitsleden om drone-gerelateerd landbouwonderzoek uit te voeren, met name met betrekking tot vroege diagnose van waterstress in gewassen, tekorten aan voedingsstoffen , de gezondheid van gewassen en ziekten - grote bedreigingen voor de voedselzekerheid en schattingen van de oogstopbrengst.

"We proberen robuuste, snelle, nauwkeurige en operationele oplossingen en hulpmiddelen te ontwikkelen voor het detecteren en diagnosticeren van waterstress, nutriëntentekorten en de gezondheid en ziekten van gewassen, met name vroege detectie," zei Maimaitijiang. "We proberen een aantal nieuwe algoritmen te ontwikkelen met behulp van satellieten, met drones, met behulp van kunstmatige intelligentie, met behulp van verschillende soorten informatie, om dit van tevoren te detecteren voordat de symptomen zichtbaar worden. Want zodra het zichtbaar wordt, kan de controle te laat zijn."

Zodra de ziekte zichtbaar wordt op bladniveau, kan zelfs spray nutteloos worden, merkte Maimaitijiang op.

Voorheen was de traditionele methode voor het opsporen van gewasziekte omslachtig en tijdrovend, waardoor uren en uren moeizaam verzameld werden over hectares en hectares velden. Drone-technologie heeft een efficiëntere en betrouwbaardere methode gecreëerd voor het detecteren van gewasziekte. Hoewel het nog steeds geen perfecte wetenschap is, heeft deep learning voor doorbraken gezorgd op het gebied van digitale beeldverwerking, die in combinatie met drone-technologie het agrarische onderzoek de afgelopen jaren heeft voortgestuwd.

Maimaitijiang en Shahid Khan, een promovendus, hebben de afgelopen maanden gegevens verzameld met behulp van drones om hun onderzoek voort te zetten. Hieronder vind je een samenvatting van de ins en outs om dronepiloot te worden en een overzicht van hun onderzoeksproces.

Dronepiloot worden

Maimaitijiang kreeg zijn eerste start in drones in 2015 aan de Saint Louis University, waar hij zijn Ph.D.

"Ik werkte daar in het teledetectielab," zei Maimaitijiang. "Het grootste deel van mijn werk bestond uit drone-gerelateerde zaken."

Tussen 2015 en 2022 groeide de drone-industrie aanzienlijk. In 2020 was de markt voor commerciële drones vastgepend op $ 13,44 miljard en zal naar verwachting tot 2028 elke twee jaar verdubbelen.

Het SDSU Department of Geography and Geospatial Sciences, de feitelijke drone-experts op de campus, reageerde op de groei van de industrie en begon in 2017 drone-instructie aan te bieden. Nu biedt de afdeling een certificaat in onbemande vliegtuigsystemen, waarvoor 12 studiepunten bied een minor van 18 studiepunten aan in onbemande vliegtuigsystemen - voorlopig gepland om te beginnen in de herfst van 2023.

De primaire klasse voor drone-instructie bij SDSU is "GEOG 270, Introduction to Small Unmanned Aircraft Systems." GEOG 270 is een soort "melting pot"-cursus, met studenten van onder meer luchtvaart, landbouw, precisielandbouw en bouwmanagementprogramma's die allemaal samenkomen om te leren vliegen en drones bedienen. Een andere belangrijke cursus GEOG 483/583 UAS Remote Sensing leidt studenten op met meerdere tools en vaardigheden voor drone-beeldverwerking die bruikbare kaarten en producten genereert.

Na het volgen van die les hebben studenten de kennis om te slagen voor het Part 107 Remote Pilot Certificate van de Federal Aviation Administration - een vereiste voor commerciële exploitatie van een drone. Alle onderzoekers die drones in hun werk opnemen, moeten de FAA-test doorstaan.

Khan herinnert zich dat hij een beetje nerveus was voordat hij zijn FAA-certificeringstest aflegde. Hij had ongeveer een week lang twee tot drie uur per dag gestudeerd, maar was er nog steeds niet van overtuigd dat hij zou slagen.

"Ik dacht dat het misschien moeilijk zou zijn en dat ik zou falen", zei Khan. "Maar ik ging erheen, deed de test en het ging heel goed. Ik slaagde en werd gecertificeerd."

Nadat hij zijn FAA-licentie had behaald, kon Khan beginnen met het vliegen met drones. Maar in plaats van te vliegen met de commerciële drones die werden gebruikt tijdens de gegevensverzameling, gaf Maimaitijiang Khan de opdracht om te leren vliegen met een veel uitdagendere drone:een DEERC D20 - een "mini"-drone van $ 50, ontworpen voor kinderen.

"Die is eigenlijk niet gemakkelijk om te vliegen," zei Maimaitijiang. "Het heeft geen GPS of een barometer, dus er is geen automatische zweefmodus. Het kan erg onstabiel zijn."

Met behulp van deze "hobby"-drones bereiden Khan en andere doctoraatsstudenten zich voor om met de commerciële drones te vliegen. Na 20 uur training, waarin ze verschillende landingen, starts en vliegroutes oefenen, zijn de studenten klaar voor de "grote competities".

"Als je daar eenmaal aan gewend bent, is het veel gemakkelijker om met deze grotere (drones) te vliegen", zei Khan.

Het vliegen met commerciële drones is verrassend vrij eenvoudig, zei Maimaitijiang.

"De belangrijkste reden is dat de meeste van deze commerciële drones zeer goede GPS- en barometerapparaten hebben", legt Maimaitijiang uit. "Als je opstijgt, kan hij automatisch zijn positie aanpassen en daar zweven, zelfs als je je handen van de besturing haalt."

Drones kunnen ook worden geprogrammeerd om op autonome missies te gaan. Voordat ze naar een onderzoeksveld gaan, zullen Maimaitijiang en zijn studenten een vliegroute voor de drone programmeren.

"Voorafgaand aan de vlucht moet je de missieplanning doen", zei Maimaitijiang. "Je hebt een programma nodig in de vlieghoogte, vliegsnelheid, vliegroutes - al die parameters die je nodig hebt om preflight te definiëren en deze informatie vervolgens naar de drone te sturen."

Eenmaal op het veld zal de drone zelf vliegen en kan Maimaitijiang zich concentreren op de gegevens die worden verzameld. Vanwege FAA-regels moet er echter nog steeds iemand zijn die de controller van de drone vasthoudt.

"We uploaden de missie en met slechts één klik gaat hij automatisch van start, verzamelt de gegevens en komt dan terug", legt Maimaitijiang uit.

Sommige drones kunnen ongeveer twee uur vliegen en andere 30 minuten - het hangt allemaal af van het type drone (vaste vleugel of roterende drone), en ook van het laadvermogen en de hoeveelheid apparatuur die het vervoert. Ze zullen tijdens een vlucht meestal tussen de 10 en 50 hectare beslaan.

"Dat zijn de belangrijkste beperkingen van deze drones," zei Khan. "Je kunt niet te veel gebieden bestrijken met deze batterijen."

Er zijn enkele beperkingen waar dronepiloten rekening mee moeten houden. Het is niet de bedoeling dat drones meer dan 120 meter hoog vliegen en voor veel vluchtsituaties is goedkeuring van de lokale luchthaven vereist als het vlieggebied dichtbij is. Piloten moeten ook noodplannen, verzekeringen en goedkeuring van landeigenaren bij de hand hebben.

De meeste drones kunnen niet worden gevlogen als het regent, maar ze kunnen in de winter worden gevlogen, zolang het niet te koud of te winderig is. Voor roterende drones moeten windsnelheden vaak lager zijn dan 25 mph en mogen er geen windstoten van meer dan 20 mph zijn voor de veiligheid - een uitdaging in South Dakota. Dit soort drones kunnen ook niet tegen extreme hitte. Om gegevens nauwkeurig te verzamelen, moeten de omstandigheden gunstig en zeer mild zijn.

"Dat is de reden waarom wanneer je de FAA-test voor certificering aflegt, er veel weergerelateerde vragen zijn, omdat ze echt willen dat je je bewust bent van de wolken, wind en al het andere," zei Khan. "Een ding waar ze zich specifiek op richten, is dat je moet plannen op basis van het weer. Dus voordat je een vlucht plant op specifieke locaties, moet je het weer controleren."

Hoewel drones absoluut noodzakelijk zijn voor het verzamelen van gegevens, zijn ze gewoon een voertuig voor het belangrijkere en duurdere onderdeel van onderzoeksapparatuur:de sensoren. Terwijl high-end drones die nodig zijn voor het soort onderzoek dat Maimaitijiang doet, tussen de $ 5.000 en $ 15.000 kunnen zijn, kunnen de infraroodsensoren die nodig zijn om de gegevens te verzamelen vijf tot tien keer duurder zijn.

"Bepaalde sensoren zijn compatibel met bepaalde drones, terwijl andere dat niet zijn. De drone is gewoon het voertuig om die sensoren te dragen," zei Khan. "Ze zijn echt de ruggengraat van het systeem."

De hyperspectrale sensoren zijn eigenlijk gewoon zeer hoogwaardige camera's die de gegevens verzamelen in verschillende bereiken van elektromagnetische spectrums, zei Khan.

Gegevens verzamelen

Als het weer voldoende meewerkt om de drone te laten vliegen, zal Maimaitijiang naar verschillende boerderijen en onderzoeksvelden reizen om gegevens te verzamelen. Op de velden zal hij op verschillende hoogtes commerciële drones vliegen, die gegevens verzamelen met behulp van de hoogwaardige sensoren.

"Als het bijvoorbeeld over een tarweveld vliegt, verzamelt het afbeeldingen", zei Maimaitijiang. "We gebruiken deze afbeeldingen - nu gelabeld als gegevens - om machine learning-modellen voor kunstmatige intelligentie te trainen. Het kan dan automatisch detecteren of er een ziekte is."

Met behulp van deze informatie zouden boeren een specifieke hoeveelheid chemische spray tegen schimmelbestrijding kunnen toepassen op specifieke locaties (op een efficiëntere manier) om hun ziektegebied te ontdoen, merkte Maimaitijiang op.

"We kunnen drone-technieken gebruiken om automatisch de groeistatus, kruinhoogte, gewasgezondheid en ziekteniveau, voedingsstoffen en waterstressniveau te krijgen en de uiteindelijke opbrengst te voorspellen," zei Maimaitijiang. "We nemen gewoon die gegevens (die zijn verzameld uit een drone-pas) en bouwen een aantal kunstmatige-intelligentiemodellen voor gegevensaandrijving. Dit model gebruikt de gegevens om die verschillende parameters te detecteren."

De verzamelde gegevens van de drones zijn gunstig voor zowel boeren als fokkers, omdat ze het veredelingsproces van het plantfenotype met hoge efficiëntie kunnen versnellen, zei Maimaitijiang.

Khan, die eerder een onderzoeksartikel heeft gepubliceerd over voorspellingen van gewasopbrengsten met behulp van teledetectiegegevens van satellieten, doet nu soortgelijk werk, behalve dat hij in plaats van satellieten drones gebruikt.

"Momenteel vliegen we drones over verschillende gewassen in verschillende stadia van de groeicyclus, zoals een vroeg stadium, in het groeistadium en vervolgens op volwassenheid," zei Khan. "We vliegen 10 tot 12 keer per oogstseizoen."

De verzamelde gegevens van de gewassen worden vervolgens gecorreleerd met de gewasopbrengst en andere parameters, zei Khan. Zijn specifieke onderzoekswerk is gericht op het nauwkeurig inschatten van de gewasopbrengst voorafgaand aan de oogst.

Het overkoepelende doel van Khans onderzoek is om de oogst efficiënter te maken voor boeren.

"Een ander ding is dat (boeren) vóór de oogst kunnen zien wat er in hun gewassen gebeurt," zei Khan. "Dus als ze iets moeten ingrijpen of als ze beslissingen moeten nemen, zoals het verhogen van meststoffen of iets anders, kan het hen helpen bij het besluitvormingsproces om de opbrengst te verhogen of ziekten onder controle te houden."

Toekomstig gebruik

In de toekomst wil Khan doorgaan met het onderzoeken van gewaskenmerken door middel van drones, terwijl hij zich ook waagt aan meer ziektemonitoring. Hij wil ook samenwerken met onderzoekers van stamcolleges om invasieve soorten op te sporen met behulp van drone-technologie.

Naarmate drones steeds meer de mainstream binnendringen, zullen er doorbraken blijven plaatsvinden, theoretiseerde Maimaitijiang.

"Drones hebben onderzoek een stuk eenvoudiger gemaakt", zei Maimaitijiang. "Geïntegreerd met kunstmatige intelligentie, in de plantenveredeling, brengen precisie-agrarische drones in feite een revolutie teweeg in de scouting van gewassen in die velden." + Verder verkennen

Amazon begint met bezorgen per drone in de stad Californië