Na última década, a pesquisa agrícola tornou-se cada vez mais avançada – em grande parte por causa de veículos aéreos não tripulados, também conhecidos como drones. Na South Dakota State University, os drones se integraram a uma variedade de atividades de pesquisa, mas sem dúvida foram os mais impactantes na pesquisa agrícola.
Maitiniyazi Maimaitijiang, professor assistente do Departamento de Geografia e Ciências Geoespaciais, tem trabalhado em conjunto com outros membros do corpo docente para realizar pesquisas agrícolas relacionadas a drones nos últimos anos, especificamente em relação ao diagnóstico precoce de estresse hídrico das culturas, deficiência de nutrientes , saúde e doenças das colheitas—principais ameaças à segurança alimentar e às estimativas de rendimento das colheitas.

"Estamos tentando desenvolver soluções e ferramentas robustas, rápidas, precisas e operacionais para detectar e diagnosticar o estresse hídrico das culturas, deficiência de nutrientes e saúde e doenças das culturas - especialmente a detecção precoce", disse Maimaitijiang. "Estamos tentando desenvolver alguns novos algoritmos usando satélites, drones, inteligência artificial, usando diferentes tipos de informação, para detectar isso antes que os sintomas se tornem visíveis. Porque uma vez que se torne visível, o controle pode ser tarde demais."

Uma vez que a doença se torna visível no nível da folha, até mesmo a pulverização pode se tornar inútil, observou Maimaitijiang.

Anteriormente, o método tradicional de detecção de doenças nas plantações era trabalhoso e demorado, exigindo horas e horas de coleta tediosa de dados em acres e acres de campos. A tecnologia dos drones criou um método mais eficiente e confiável para detectar doenças nas plantações. Embora ainda não seja uma ciência perfeita, o aprendizado profundo fez avanços no campo do processamento digital de imagens, que combinados com a tecnologia de drones impulsionaram a pesquisa agrícola nos últimos anos.

Maimaitijiang e Shahid Khan, um estudante de doutorado, passaram os últimos meses coletando dados usando drones para aprofundar suas pesquisas. Abaixo está uma sinopse dos prós e contras de se tornar um piloto de drone e um resumo de seu processo de pesquisa.

Tornar-se um piloto de drone

Maimaitijiang começou sua carreira em drones em 2015 na Saint Louis University, onde obteve seu Ph.D.

"Eu trabalhei no laboratório de sensoriamento remoto lá", disse Maimaitijiang. "A maior parte do meu trabalho era relacionado a drones."

Entre 2015 e 2022, a indústria de drones aumentou substancialmente. Em 2020, o mercado de drones comerciais foi avaliado em US$ 13,44 bilhões e deve dobrar a cada dois anos até 2028.

O Departamento de Geografia e Ciências Geoespaciais da SDSU, os especialistas de fato em drones no campus, respondeu ao crescimento da indústria e começou a oferecer instrução de drones em 2017. Agora, o departamento oferece um certificado em sistemas de aeronaves não tripuladas, que requer 12 horas de crédito e oferecer um menor de 18 horas de crédito em sistemas de aeronaves não tripuladas - provisoriamente programado para começar no outono de 2023.

A classe primária para instrução de drones na SDSU é "GEOG 270, Introdução aos Sistemas de Aeronaves Não Tripuladas Pequenas". O GEOG 270 é uma espécie de curso "melting pot", com alunos de programas de aviação, agricultura, agricultura de precisão e gerenciamento de construção, entre outros, todos se reunindo para aprender a voar e operar drones. Outro curso importante GEOG 483/583 UAS Remote Sensing treina os alunos com várias ferramentas e habilidades para processamento de imagens de drones que geram mapas e produtos utilizáveis.

Depois de fazer essa aula, os alunos têm o conhecimento para passar no Certificado de Piloto Remoto Parte 107 da Federal Aviation Administration – um requisito para a operação comercial de um drone. Todos os pesquisadores que incorporam drones em seu trabalho devem passar no teste da FAA.

Khan se lembra de estar um pouco nervoso antes de fazer o teste de certificação da FAA. Ele havia estudado de duas a três horas por dia por cerca de uma semana, mas ainda não estava convencido de que ia passar.

"Achei que poderia ser difícil e que eu poderia falhar", disse Khan. "Mas eu fui lá, fiz o teste e deu muito certo. Passei e me certifiquei."

Depois de obter sua licença da FAA, Khan conseguiu começar a pilotar drones. Mas, em vez de pilotar os drones de nível comercial usados ​​durante a coleta de dados, Maimaitijiang instruiu Khan a aprender a pilotar um drone muito mais desafiador:um DEERC D20 – um “mini” drone de US $ 50 projetado para crianças.

"Na verdade, esse não é fácil de voar", disse Maimaitijiang. "Ele não tem GPS ou barômetro, então não há modo de pairar automático. Pode ser muito instável."

Usando esses drones de "hobby", Khan e outros estudantes de doutorado se preparam para pilotar os drones de nível comercial. Após 20 horas de treinamento, nas quais praticam diferentes pousos, decolagens e trajetórias de voo, os alunos estão prontos para as "grandes ligas".

“Uma vez que você se acostuma com isso, é muito mais fácil pilotar esses drones maiores”, disse Khan.

Pilotar os drones de nível comercial é surpreendentemente bastante simples, disse Maimaitijiang.

“A principal razão é porque a maioria desses drones comerciais possui dispositivos GPS e barômetros muito bons”, explicou Maimaitijiang. "Quando você decola, ele pode ajustar automaticamente sua posição e pairar lá, mesmo quando você tira as mãos dos controles."

Os drones também podem ser programados para realizar missões autônomas. Antes de sair para um campo de pesquisa, Maimaitijiang e seus alunos programarão uma trajetória de voo para o drone.

"Antes do voo, você precisa fazer o planejamento da missão", disse Maimaitijiang. "Você precisa programar a altura do voo, a velocidade do voo, as trajetórias de voo - todos esses parâmetros necessários para definir o pré-voo e enviar essas informações para o drone."

Uma vez no campo, o drone voará sozinho e Maimaitijiang pode se concentrar nos dados que estão sendo coletados. Devido às regras da FAA, ainda precisa haver alguém segurando o controlador do drone.

“Nós carregamos a missão e com apenas um clique, ela decolará automaticamente, coletará os dados e depois voltará”, explicou Maimaitijiang.

Alguns drones podem voar por cerca de duas horas e outros podem voar por 30 minutos – tudo depende do tipo de drone (asa fixa ou drone rotativo), e também da carga útil e da quantidade de equipamento que está carregando. Eles geralmente cobrem entre 10 e 50 acres durante um voo.

“Essas são as principais limitações desses drones”, disse Khan. "Você não pode cobrir muita área usando essas baterias."

Existem algumas restrições que os pilotos de drones devem ter em mente. Os drones não devem voar mais de 400 pés de altura e, para muitas situações de voo, exigem aprovação do aeroporto local se a área de voo estiver próxima. Os pilotos também precisam ter planos de emergência, seguro e aprovação dos proprietários de terras em mãos.

A maioria dos drones não pode voar enquanto está chovendo, mas eles podem voar durante o inverno, desde que não esteja muito frio ou muito vento. Para drones rotativos, as velocidades do vento geralmente precisam estar abaixo de 15 mph e não podem ter rajadas acima de 20 mph por segurança - um desafio em Dakota do Sul. Esses tipos de drones também não suportam calor extremo. Para que os dados sejam coletados com precisão, as condições precisam ser favoráveis ​​e muito brandas.

"É por isso que quando você está fazendo o teste da FAA para certificação, há muitas perguntas relacionadas ao clima, porque eles realmente querem que você esteja ciente das nuvens, vento e tudo mais", disse Khan. "Uma coisa em que eles se concentram especificamente é que você precisa planejar de acordo com o clima. Portanto, antes de planejar um voo em locais específicos, você precisa verificar o clima."

Embora os drones sejam absolutamente necessários para a coleta de dados, eles são simplesmente um veículo para o equipamento de pesquisa mais importante e caro:os sensores. Enquanto os drones de ponta necessários para o tipo de pesquisa que Maimaitijiang faz podem custar entre US$ 5.000 e US$ 15.000, os sensores infravermelhos necessários para coletar os dados podem ser cinco a 10 vezes mais caros.

"Certos sensores são compatíveis com certos drones, enquanto outros não são. O drone é apenas o veículo para transportar esses sensores", disse Khan. "Eles são realmente como a espinha dorsal do sistema."

Os sensores hiperespectrais são realmente apenas câmeras de ponta que coletam os dados em diferentes faixas de espectros eletromagnéticos, disse Khan.

Coleta de dados

Quando o clima cooperar o suficiente para pilotar o drone, Maimaitijiang viajará para várias fazendas e campos de pesquisa para coletar dados. Nos campos, ele pilotará drones de nível comercial em várias alturas, que coletam dados usando os sensores de alto desempenho.

"Quando voa sobre um campo de trigo - por exemplo - ele coleta imagens", disse Maimaitijiang. "Nós usamos essas imagens - agora rotuladas como dados - para treinar modelos de aprendizado de máquina de inteligência artificial. Ele pode detectar automaticamente se há doença."

Usando essas informações, os agricultores seriam capazes de aplicar uma quantidade específica de spray químico de controle de resistência a fungicidas em locais específicos (de maneira mais eficiente) para livrar seu campo de doenças, observou Maimaitijiang.

“Podemos usar técnicas de drones para obter automaticamente o status de crescimento, altura do dossel, saúde das culturas e nível de doença, nutrientes e nível de estresse hídrico e prever o rendimento final”, disse Maimaitijiang. "Nós apenas pegamos esses dados (que foram coletados de uma passagem de drone) e construímos alguns modelos de inteligência artificial de unidade de dados. Este modelo usa os dados para detectar esses diferentes parâmetros."

Os dados coletados dos drones são benéficos para agricultores e criadores, pois são capazes de acelerar o processo de criação de fenótipos de plantas com alta eficiência, disse Maimaitijiang.

Khan, que já teve um artigo de pesquisa publicado sobre previsões de produtividade de culturas usando dados de sensoriamento remoto de satélites, está fazendo um trabalho semelhante agora, exceto que, em vez de satélites, ele está usando drones.

“Atualmente, o que estamos fazendo é voar drones sobre diferentes culturas em diferentes estágios do ciclo de crescimento – como estágio inicial, no estágio de crescimento e depois na maturidade”, disse Khan. "Voamos de 10 a 12 vezes a cada safra."

Os dados coletados das colheitas são então correlacionados com o rendimento das colheitas e outros parâmetros, disse Khan. Seu trabalho de pesquisa específico está procurando estimar com precisão o rendimento das culturas antes da colheita.

O objetivo geral da pesquisa de Khan é tornar os rendimentos das colheitas mais eficientes para os agricultores.

"Outra coisa é que, antes da colheita, (os agricultores) podem ver o que está acontecendo em suas colheitas", disse Khan. “Então, se eles precisarem fazer alguma intervenção ou se precisarem tomar algumas decisões, como aumentar os fertilizantes ou qualquer outra coisa, isso pode ajudá-los no processo de tomada de decisão para aumentar o rendimento ou controlar doenças”.

Usos futuros

No futuro, Khan quer continuar pesquisando as características das culturas por meio de drones enquanto se aventura em mais monitoramento de doenças.

À medida que os drones continuam a filtrar cada vez mais o mainstream, os avanços continuarão a acontecer, teorizou Maimaitijiang.

“Os drones tornaram a pesquisa muito mais fácil”, disse Maimaitijiang. "Integrado com inteligência artificial, no melhoramento de plantas, agricultura de precisão - os drones estão basicamente revolucionando o reconhecimento de colheitas nesses campos." + Explorar mais

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