Застосування штучного інтелекту для ідентифікації бур’янів та їх автоматичного видалення
Бур’яни залишаються постійною проблемою у сільському господарстві, конкуруючи з культурами за сонячне світло, воду та поживні речовини. Сьогодні мета полягає не просто у «знищенні бур’янів» за допомогою тракторів чи хімікатів, а у вибірковому їх видаленні без шкоди для культур. Завдяки потужності штучного інтелекту (ШІ) та робототехніки сучасні машини можуть розрізняти культури і бур’яни за допомогою комп’ютерного зору, а потім автоматично усувати бур’яни за допомогою точкового обприскування, механічних інструментів, лазерів або тепла. Ця інновація знижує витрати, мінімізує використання хімікатів і підтримує сталий розвиток сільського господарства.
Бур’яни є постійною проблемою у сільському господарстві, оскільки вони конкурують з культурами за сонячне світло, воду та поживні речовини. Сьогоднішнє завдання — не просто «вбивати бур’яни» (з цим справляються трактори та гербіциди), а робити це вибірково — видаляти бур’яни без шкоди для культур.
Сучасні технології ШІ та робототехніки пропонують потужні нові інструменти для цього. Використовуючи комп’ютерний зір і машинне навчання, сучасні сільськогосподарські машини можуть «бачити» окремі рослини, розрізняти культури і бур’яни, а потім автоматично видаляти або знищувати бур’яни.
Як ШІ ідентифікує бур’яни
Контроль бур’янів за допомогою ШІ базується на комп’ютерному зорі та глибокому навчанні. Камери, встановлені на тракторах, обприскувачах або невеликих роботах, роблять знімки рослин, а моделі ШІ (часто згорткові нейронні мережі, CNN) навчаються розрізняти культури і бур’яни.
Carbon Robotics
John Deere
В результаті сучасні системи зору можуть визначати бур’яни з піксельною точністю. Вони працюють у реальному часі під час руху машини.
Обприскувачі See & Spray від John Deere оснащені численними камерами та вбудованими процесорами, які сканують тисячі квадратних футів за секунду. Кожен кадр камери аналізується машинним навчанням для визначення «культура чи бур’ян?», і якщо це бур’ян, система миттєво активує сопло для обприскування цієї ділянки.
— Технічна документація John Deere
Фактично, ШІ перетворює трактор на дуже розумного робота, здатного ідентифікувати навіть дрібні бур’яни з 2–3 листками на полі.
Методи видалення бур’янів за допомогою ШІ
Після ідентифікації бур’янів різні системи видаляють їх різними способами. Три основні підходи — це цільове обприскування, механічне видалення бур’янів та лазерне або теплове видалення. Усі вони використовують зір ШІ, щоб зосередити обробку лише на бур’янах.
Точкове обприскування (Spot Sprayers)
Ці системи встановлюють камери на обприскувальну балку або мобільну платформу і розпилюють гербіцид лише на виявлені бур’яни. Наприклад, система See & Spray від John Deere використовує камери на балці та ШІ, що дозволяє зменшити використання гербіцидів приблизно на 59% у середньому.
Висока швидкість роботи
Сканує поля зі швидкістю до 15 миль на годину
- Обробка нейронною мережею в реальному часі
- Індивідуальна активація сопел
Зменшення хімікатів
Драматична економія гербіцидів
- Зменшення обсягу гербіцидів у 20 разів
- До 95% скорочення використання хімікатів
Механічні видалювачі бур’янів
Деякі автономні роботи використовують фізичні інструменти замість розпилення. Наприклад, робот Element від Aigen (фінансований великими технологічними компаніями) поєднує камери і ШІ з механічною «мотикою», яка зрізає бур’яни біля кореня.
- Працює на сонячній та вітровій енергії
- Безперервне видалення бур’янів без хімікатів
- Контактний метод не шкодить культурам
- Ідеально підходить для органічного землеробства
Подібним чином стартапи FarmWise і Verdant Robotics створили культиватори з керуванням ШІ. Робот Verdant «Sharpshooter», наприклад, використовує комп’ютерний зір для розпилення мінімальної дози гербіциду лише на кожен бур’ян, скорочуючи використання хімікатів приблизно на 96%. Механічні методи особливо перспективні для органічних або спеціалізованих культур, де використання гербіцидів є проблематичним.
Лазерне та теплове видалення бур’янів
Дуже новий метод використовує потужні лазери або теплові промені для знищення бур’янів. Carbon Robotics (США) розробила LaserWeeder G2 — машину, що тягнеться трактором і оснащена кількома лазерами потужністю 240 ват і камерами.
Її система зору (на базі нейронних мереж) сканує рослини, а потім лазери точно випалюють основні тканини бур’яну. Цей підхід без хімікатів і надзвичайно точний: Carbon Robotics заявляє про субміліметрову точність наведення і здатність обробляти мільйони зображень на годину.
Ці різні методи видалення бур’янів також можна комбінувати. Наприклад, Університет Гуелфа створив сканер ШІ, встановлений на тракторі, який картає щільність бур’янів на полях з лімською квасолею.
Фермери можуть застосовувати гербіциди лише на позначені ділянки. У майбутньому ми можемо побачити інтегровані системи: робот може використовувати зір ШІ, щоб вирішувати чи обприскувати, зрізати або спалювати конкретний бур’ян залежно від типу культури та умов.
Реальні приклади застосування
Сучасні технології видалення бур’янів за допомогою ШІ вже використовуються на фермах по всьому світу. Ось кілька прикладів:
John Deere See & Spray
Ця провідна в галузі система широко застосовується у великомасштабному зерновому господарстві. Під час випробувань у 2024 році обприскувачі See & Spray обробили понад 1 мільйон акрів і заощадили близько 8 мільйонів галонів гербіцидів.
Я зменшив свої витрати на гербіциди на дві третини, використовуючи цю систему.
— Фермер із Канзасу
Технічно See & Spray використовує камери, встановлені на балці, і вбудовані нейронні мережі для визначення «бур’ян чи ні». Якщо виявляється бур’ян, машина активує індивідуальне сопло, що дозволяє застосовувати гербіцид з точністю до точки.
Carbon Robotics LaserWeeder
Засновник Пол Майкселл (колишній інженер Uber) роками розробляв лазерний видалювач бур’янів на базі ШІ. Його LaserWeeder G2 використовує навчений CNN для пошуку бур’янів і швидко знищує їх лазерними імпульсами.
- Працює повністю на машині без доступу до хмари
- Може знищувати бур’яни «розміром із кінчик ручки»
- Працює вдень і вночі у масштабах
- Субміліметрова точність
На практиці одиниці LaserWeeder (причіпні до тракторів) можуть працювати вдень і вночі, обробляючи поля у великих масштабах. Вони оснащені кількома камерами і графічними процесорами на модуль і працюють із субміліметровою точністю. Така точність означає, що культура практично не пошкоджується і не потрібна додаткова обробка ґрунту.
Ecorobotix ARA Sprayer
Швейцарська компанія Ecorobotix виробляє сонячний високоточний обприскувач ARA. Її система зору «Plant-by-Plant™» використовує глибоке навчання для швидкого виявлення бур’янів.
Зменшення хімікатів
До 95% скорочення використання хімікатів
Час реакції
~250 мілісекунд на рішення про рослину
Тести показують, що ШІ може ідентифікувати види бур’янів із субсантиметровою точністю під час руху машини, приймаючи рішення приблизно за 250 мілісекунд на рослину. Компанія орієнтує продукт на високовартісні овочі та спеціалізовані культури, де економія хімікатів і робочої сили критична.
Verdant Robotics – Sharpshooter
Стартап Verdant Robotics створив Sharpshooter — робота, який використовує комп’ютерний зір для виявлення бур’янів і потім розпилює мінімальну дозу гербіциду на кожен з них.
Звичайне обприскування
- Велике використання гербіцидів
- Вищі витрати
- Вплив на довкілля
Точність із керуванням ШІ
- 96% скорочення гербіцидів
- Понад 50% економії витрат
- Мінімальний вплив на довкілля
Це ще один приклад технології точкового обприскування, що працює завдяки ШІ, де система зору виконує роботу цілої бригади обприскувачів.
Дослідження Університету Гуелфа
Дослідники під керівництвом доктора Медхата Мусси розробили прототип системи для органічних ферм лімської квасолі. Камера ШІ, встановлена на тракторі, сканує поле і створює карту щільності бур’янів амброзії (наприклад).
Захоплення зображень
Камера ШІ сканує поле
Аналіз ШІ
Алгоритми розрізняють лімську квасолю і бур’яни
Картографування щільності
Створює точну карту щільності бур’янів
Цей підхід доповнює ручний огляд: він економить час, зменшує пропущені ділянки і допомагає точно застосовувати гербіциди.
Інші інновації
- Aigen (США): Розробляє повністю автономного колісного робота Element, який патрулює поля, працює на сонячній енергії і фізично викорінює бур’яни за допомогою лез, керованих камерами.
- FarmWise (США): Створили роботи Vulcan і Titan, які використовують власні алгоритми машинного навчання для ідентифікації і механічного видалення бур’янів між рядами овочевих культур.
- Розумні культиватори: Penn State Extension повідомляє про тракторні «розумні культиватори» (Robovator від VisionWeeding, Robocrop від Garford), які використовують машинний зір для точного керування інструментами культивації.
- Аеродрони: Навіть аеродрони з мультиспектральними камерами і алгоритмами ШІ можуть виявляти ділянки з бур’янами з висоти, допомагаючи планувати обробку.
Отже, незалежно від розміру ферми — великої чи маленької спеціалізованої — з’являються різноманітні рішення для видалення бур’янів на базі ШІ.
Переваги: ефективність, прибутковість і сталий розвиток
Контроль бур’янів за допомогою ШІ має очевидні переваги:
Драматична економія хімікатів
Обприскуючи лише бур’яни, ці системи суттєво зменшують обсяг гербіцидів.
- John Deere повідомляє про заощадження мільйонів галонів
- Приблизно 12 олімпійських басейнів на площі лише 1 мільйон акрів
- Середня економія 60–76% у використанні гербіцидів
Вищі врожаї та здоров’я культур
Раннє і повне видалення бур’янів допомагає культурам краще розвиватися.
- Видаляє дрібні бур’яни, які люди можуть пропустити
- Здоровіші, більш однорідні культури
- Зменшує тиск насіння бур’янів у майбутньому
Економія робочої сили та часу
Роботи на базі ШІ автоматично виконують прополювання, звільняючи час людей.
- До 37% зменшення потреби у ручних працівниках
- Новачки працюють на рівні експертів
- Автоматизоване точкове прополювання
Покращення екології та безпеки
Менше гербіцидів означає менше забруднення води і ґрунту.
- Менше проходів по полю (зменшує витрати палива)
- Відсутність обробітку ґрунту у багатьох випадках (запобігає ерозії)
- Краща безпека на фермі (менше людей працює з хімікатами)
Аналіз ефективності витрат
| Фактор витрат | Традиційний метод | Прополка за допомогою ШІ | Заощадження |
|---|---|---|---|
| Витрати на гербіциди | Великий обсяг застосування | Цільове застосування | 60-95% скорочення |
| Витрати на робочу силу | Ручне прополювання | Автоматизована робота | 37% скорочення |
| Час роботи обладнання | Багато проходів по полю | Один точковий прохід | Понад 50% економії часу |
| Термін окупності | Немає | Вищі початкові витрати | 1-3 роки окупності |
Все це призводить до економії коштів. Окрім зменшення використання гербіцидів, фермери економлять час роботи обладнання і на найманій праці. John Deere і партнери виявили, що хоча точкові обприскувачі коштують дорожче спочатку, окупність може настати вже за 1–3 роки завдяки економії ресурсів. Багато фермерів у випробуваннях знизили свої витрати на контроль бур’янів на акр удвічі або більше, повністю перейшовши на систему ШІ.
Виклики та впровадження
Незважаючи на перспективи, видалення бур’янів за допомогою ШІ все ще нове і не є повсюдним. Станом на початок 2024 року лише близько 27% фермерських господарств США використовують будь-які технології точного землеробства для таких завдань, як контроль бур’янів.
Поточні бар’єри
- Висока вартість обладнання
- Потреба у спеціалізованих знаннях
- Питання власності та надійності даних
- Складність технологій
- Поля з бур’янами, що дуже схожі на культури
Я сумнівався в See & Spray, але після використання став прихильником, бо система виявилася простою і ефективною.
— Фермер із Північної Дакоти
Фактори зростання
Однак експерти галузі очікують швидкого зростання. Зростання цін на ресурси (добрива, гербіциди, робочу силу) та екологічний тиск спонукають більше фермерів переходити на точні методи.
Виробники обладнання
Інновації стартапів
Інтеграція ШІ
Перспективи на майбутнє
Управління бур’янами за допомогою ШІ все ще розвивається, але тенденції очевидні: розумніші машини дедалі більше виконуватимуть рутинні завдання прополювання.
Багатомодальне сенсорне сприйняття
Поєднання RGB-камер, мультиспектрального зображення, навіть сенсорів запаху рослин
Динамічне прийняття рішень
Динамічне рішення, чи обприскувати, зрізати чи спалювати кожен бур’ян
Інтегровані системи
Інтеграція з GPS і картографічними інструментами ферми для безперервного навчання
Фермери хочуть «інструмент, який робить усе» — ШІ рухається до цієї мети, надаючи машинам гнучкість для розв’язання проблем безпосередньо в полі.
— Експерт з агротехнологій
Глобальний вплив на сталий розвиток
Важливо, що ці рішення на базі ШІ відповідають глобальним потребам сталого сільського господарства. Споживачі та регулятори все більше вимагають зниження залишків хімікатів і екологічно безпечного землеробства.
Зменшення хімікатів
80–95% скорочення використання гербіцидів у деяких випадках
Рішення для робочої сили
Допомагає фермам адаптуватися до нестачі робочої сили
Адаптація до клімату
Підтримує ферми у боротьбі зі стресом через кліматичні зміни
