Сканировать гектары: Изобретение новгородского студента поможет быстро обнаруживать болезни растений

Студент Новгородского университета Александр Алентьев в этом году выиграл конкурс молодых инноваторов «Умник». 19-летний новгородец получит полмиллиона рублей на создание LIF-спектрографа — прибора, который будет сканировать поля культурных или дикорастущих растений с беспилотного летательного аппарата. Автор разрабатывает эффективный метод дистанционного тестирования состояния растительности, который может стать основой новых технологий в сельском хозяйстве и будет полезен для решения экологических проблем.

У растений возникают стрессовые состояния — болезни или механические повреждения. Навредить могут загрязнения, использование пестицидов, засушливая или слишком влажная почва, нехватка питательных веществ или недостаток освещённости. На ранних стадиях по внешнему виду растений сложно отследить влияние факторов. Но изобретение новгородских учёных может в этом помочь.

Команда, работающая над проектом, планирует обнаруживать отклонения по искажению спектров лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF). Они хотят создать LIF-спектрограф — прибор, который будет с беспилотника фиксировать стрессовые состояния, которые не видны человеческому глазу. Аппарат крепится к гексакоптеру GAIA AG-160 и мониторит состояние растений на полях во время полёта.

— В зависимости от показателей, которые даст спектрограф, будет строиться график. И по нему мы уже будем определять, какое состояние у растения. Составим большую базу данных с графиками спектра. Допустим, смотрим поля картофеля. В базе будет много разных примеров, какой график должен быть, если, например, засушливая почва. Метод похож на то, как компьютер распознаёт, что изображено на картинке. По такому же принципу он будет сравнивать полученный график с теми, которые находятся в базе данных. И потом уже делать выводы, что конкретно случилось с растениями.

Александр Алентьевавтор проекта, студент специальности «Информатика и вычислительная техника», лаборант кафедры информационных технологий и систем НовГУ

К созданию спектрографа подтолкнули уже имеющиеся в продаже хлорофилл-флуориметры. Эти приборы тоже показывают стрессовые состояния, но для этого нужно, например, вставить в аппарат лист конкретного растения. Механизм не предназначен для работы с дронами и не сможет просканировать большие территории. А LIF-спектрограф позволит работать с целым полем растений.

Спектрограф будет сканировать площади по блокам. Полученные данные прибор выстроит в графики. А затем сравнит кривые с графиками из базы данных. После устройство сделает вывод, какие есть отклонения от нормы.

— Мы будем подключать к спектрографу планшет. Но можем заменить его на смартфон, либо можно передавать данные на ноутбук или стационарный компьютер. В перспективе я вижу, что должен использоваться ноутбук, потому что больше вычислительная мощность и мобильность. Берёте ноутбук на поле, и пока квадракоптер летает, сразу принимаете все данные, — говорит Александр Алентьев.

По словам автора проекта, снимки с беспилотника отличаются от спутниковых качеством изображения и ценой. «Минимальный спутниковый снимок, который можно сделать, это, допустим, вся территория кремлёвского парка. А зачастую посевы, поля у людей бывают намного меньше», — объясняет Александр. Его разработка предполагает, что обработка поля размером около гектара будет стоить около 10 тысяч рублей. При этом один спутниковый снимок стоит от 50 тысяч рублей, подчёркивает студент.

В будущем заказчики смогут сами купить спектрограф, программное обеспечение и получить доступ к базе данных исследований или же оплатить услугу, и разработчики сами приедут на место и проведут работу.

«У нас конкретная цель — реальный продукт, на котором мы в будущем сможем зарабатывать деньги», — комментирует Александр Алентьев.

Грант 500 тысяч рублей по программе «Умник» даётся на два года. За это время авторы проекта собираются завершить разработку и запустить прибор в производство.

Научный руководитель проекта Михаил Даниловских отмечает, что в современных методах защиты растений преобладает химия. Сейчас возникла необходимость более рационального использования природных ресурсов. Следует совершенствовать системы защиты растений от вредителей и болезней и переходить к экологическому управлению сельским хозяйством.

— Экологическое управление сельским хозяйством предусматривает внедрение геоинформационной системы, которая собирает информацию о физических, химических, биологических процессах, уровне загрязнений атмосферного воздуха, почв, водных объектов, последствиях влияния на растительный и животный мир — о состоянии сельхозугодий. На основании этих данных будут приниматься решения по управлению агрокомплексом. Будет использоваться беспилотный летательный аппарат как не травмирующее сельхоз насаждения техническое средство обработки посевов. Оно является мощным инструментом мониторинга, наблюдения за состоянием урожая, сбора, обработки и анализа данных. Поэтому уникальность LIF-спектрографа заключается в его малогабаритности, возможности вести измерения с беспилотника в любой точке сельхозугодий. Методы, основанные на анализе спектров лазерно-индуцированной флуоресценции, широко используются в науке и технике. Одной из перспективных областей использования лазерного флуоресцентного анализа может стать контроль состояния посевов в сельском хозяйстве.

Михаил Даниловскихнаучный руководитель проекта, заведующий лабораторией на кафедре информационных технологий и систем НовГУ

Напомним, сотрудники и студенты Новгородского университета также разработали новую технологию обработки растений, чтобы увеличить урожай и повысить качество продукции. Авторы придумали, как стимулировать рост растений с помощью лазерного устройства, которое тоже крепится к квадрокоптеру. Этот метод безопаснее, чем использование химических веществ, и также способствует переходу к экологически чистому агрохозяйству.