Precisielandbouw en gewasbescherming David Nuyttens
Overzicht • • • • •
Inleiding Wat is precisielandbouw? Waarom precisielandbouw? MilieuPrecisielandbouw 1.0 techniek Precisielandbouw 2.0 – Detectie met sensoren – Intelligentie – Actuatoren
• Precisielandbouw 3.0 • Uitdagingen • www.spuithulp.be Precisielandbouwtechniek
Inleiding
Dier Plant
Landbouw en maatschappij
Technologie en voeding
ILVO
Inleiding Voedselveiligheid
Productkwaliteit en -innovatie
Agrotechniek
Inleiding Milieutechniek
Referentie testopstellingen Technologie assessment
Agrotechniek
Data management en modelering
Precisielandbouwtechniek
ICT en automatisatie
Prototype ontwikkeling
Meet-en sensortechniek
Veehouderijtechniek
Inleiding Onderzoek
Spuitlabo Preciezer spuiten
Keuring spuittoestellen
Opleiding & demo’s
Inleiding +/- 1900 Spuittoestel = gesofisticeerde machine • Mechanisch • Hydraulisch • Electronisch - Spuitcomputer 2015 - Sectieafsluiting - GPS - Automatisch sturen - ...
Precisielandbouw 1.0
2055?
Precisielandbouw 3.0?
Wat is precisielandbouw? • Een vorm van landbouw, waarbij planten en dieren heel nauwkeurig, zowel in ruimte als tijd, die behandeling krijgen die ze nodig hebben • Waarom? Variatie binnen één stal, binnen één veld, enz. Bron: Kempenaar C.
Varkensgras Akkerdistel Wolfsmelk
Perceel uien, 300 m x 75 m
Wat is precisielandbouw? • Hoe nauwkeurig? Veld
Precisielandbouw 1.0
Grid
Precisielandbouw 2.0
Plant
Precisielandbouw 3.0 Blad
Wat is precisielandbouw? • Wat hebben we nodig? – – – –
Plaatsbepaling Detectie van variatie via sensoren Intelligentie (beslissingsmodel, software) Actuatoren
Vereist kennis van biologie, ICT, technologie, … Integrale aanpak
smart sensing & monitoring
cloud-based event management
smart control
smart analysis & planning
Bron: Kempenaar C.
Department of Plant and Environment
Wat is precisielandbouw? Voorbeeld plaatsspecifieke bemesting KARTEREN
Detectie
Intelligentie
Straw yield (t/ha) Spring barley Boigneville , 1996 (project IN-SPACE)
DATA COLLECTIE
Y (m)
150
3.6
3.0
100
Grain yield (t/ha) : spring barley 6.4 ha, Boigneville (24/07/96) 2.6
50
9.00
• Oogst
150.00 8.00
2.0 0
50
100
150
200
250
300 7.00
X (m)
100.00
6.00
5.00
50.00 4.00
3.00
0.00
•
Groei
• Tijdens bodembewerking
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
300.00
DATA ANALYSE
Plaatsbepaling Actuator
advies
PLAATSSPECIFIEKE BEHANDELING
Plaatsspecifiek spuiten
Plaatsspecifieke bemesting
Bron W. Saeys, KU Leuven
Waarom precisielandbouw? • Meerwaarde is wetenschappelijk bewezen – Meer opbrengst voor minder inputs en met lagere impact op milieu – Duurzamer werken • Minder inputs (GBM, energie, enz.) & kosten • Minder verliezen naar omgeving/impact op milieu
– Beperkte opbrengststijging voeden groeiende wereldbevolking
• Technische doorbraken voorbije 2 decennia – – – –
GPS ICT (computers, internet, smartphones) Sensoren Actuatoren/Robotica
• Tracking & tracing Voorbeelden: – UK: Meeropbrengst van 2.24€/ha tot 18-45€/ha voor wintertarwe in UK voor een bedrijf met 500 ha areaal – D: Kosten bemesting dalen met 10€/ha tot 25€/ha bij toepassen precisiebemesting
Precisielandbouw 1.0 • • •
Idee: Nauwkeurige uniforme behandeling van perceel Basis: Gebruik van Global Navigation Satellite Systems (GNSS) = plaatsbepaling met satellieten Principe: – Meten van reistijd van een signaal tussen min. 4 satellieten en toestel – Afstand berekenen uit nauwkeurige tijdsmeting
•
Satellietstelsels – Navstar GPS – Glonass – Galileo
Nauwkeurigheid ± 5-20 m
Correctiesignalen • Egnos: 1-3 m nauwkeurig
• DGPS: 5-30 cm nauwkeurig • RTK: 1-2 cm nauwkeurig
- Interessant voor precisielandbouw - Prijskaartje
Precisielandbouw 1.0 • Toepassingen worden in praktijk gebruikt: – – – –
Stuurhulp, automatisch sturen Vermijden overlap Oppervlaktebepaling Indeling perceel, keuze werkgang
• ± 1/4 - 1/5 van nieuwe tractoren uitgerust met RTK (Ned ± 50%)
Precisielandbouw 1.0 • Voordelen – Onafhankelijk van de bestuurder gedurende lange tijd een cmnauwkeurigheid behouden – Volledige veldoppervlakte benutten – Werken ‘s nachts en bij mist – Verhoging van de efficiëntie (5% besparen op inputs) – Ook minder gespecialiseerde arbeiders kunnen zeer nauwkeurig werk afleveren, bestuurder kan meer op ‘spuiten’ focussen
Bron: Kempenaar C.
Precisielandbouw 1.0
www.goldacres.com.au
Bron: Kempenaar C.
Precisielandbouw 1.0
Bron: Praktijkonderzoek Plant & Omgeving, WUR WageningenC. Bron: Kempenaar
Precisielandbouw 2.0
• • • •
= Smart farming op ‘grid’ niveau/= vlakjeslandbouw 20-35% reductie GBM + opbrengststijging – 2-5% reductie E-verbruik +/- Klaar voor praktijk Behandeling per spuitbaan/per sectie/per dop … precisielandbouw 3.0 Enkel € investeren op plaatsen waar dit nodig is!
Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Wat? – Specifieke eigenschappen van bodem, klimaat, gewas, ziekten, plagen of onkruiden kwantitatief opmeten
• Hoe? – – – – –
Vanuit de lucht (satellieten, vliegtuigen) Luchtbeelden via drones Sensoren in het veld Mobiele platformen Sensoren op de machine (on the go)
veraf Resolutie! dichtbij
dichtbij
veraf Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Vanuit de lucht (satellieten, vliegtuigen) + steeds beschikbaar (satellieten) + grote oppervlakte - Veel bewolking in onze regio - Off-line detectie: steeds aantal dagen tussen opname en actie - Precisie satelliet: 30 m², vliegtuig: 1 m² 25 m resolutie
5 m resolutie
-
Ned.: satellietdatabank Biomassa (NVDI)
Bron: Kempenaarwww.precisielandbouw.eu C.
Detectie via sensoren • Drones – – – – – –
Fixed wing of octocopter Vliegen onder bewolking door + betere precisie (10 cm) Hoge aanschafprijs drone + (multispectraal)camera Max. 1000 ha per dag in kaart te brengen Kostprijs: enkele 10-tallen € per ha per vlucht Steeds wettelijke toestemming nodig + opleiding
voorbeeld: monitoren gewasschade Bron: Kempenaar C. www.aureaimaging.com
Detectie via sensoren • Sensoren in het veld - Puntmeting, praktische haalbaarheid + continue meting
EasyAg sensor bodemvochtigheid www.sentek.com.au Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Sensoren op de machine, op mobiele platformen + Precisie: cm/mm + Directe koppeling met actuator mogelijk - Robuustheid, stof, trillingen www.greenseeker.nl
Fritzmeier - Isaria
Ultrasoonsensor voor spuitboomhoogte http://www.pepperl-fuchs.be/ Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Welke? – – – – –
Standaard camera Hyperspectraal camera Reflectiemetingen gewas Ultrasoonsensoren/lasersensoren …
• Waar staan we? – Onkruidherkenning: klaar voor praktijk – Herkenning bladziekten, schimmels: onderzoeksfase – Detectie van insecten: grote uitdaging
Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren Standaard digitale camera + beeldverwerking + Goedkoop - Zien ‘enkel’ wat het menselijk oog ook ziet nl. zichtbaar licht Visible Light
Band 1 .45-.52
Band 2 .52-.60
LWIR
Spectrum SWIR Infra Red
Band 3 .63-.69
Band 4 .79-.90
100s of Bands
Band 5 1.55-1.75
Band 7 2.08-2.35
Band 6 10.4-12.4
Detectie via sensoren Standaard digitale camera + beeldverwerking – Automatisatie via beeldanalyse (kleur, vorm, enz.) – Toepassingen: - Herkenning gewasrij bv. voor mechanisch schoffelen - Onkruidherkenning
Bron: W Saeys, KU Leuven
Detectie via sensoren Standaard camera
Rasmussen et al. 2013
Detectie via sensoren Standaard camera
Detectie via sensoren Standaard camera
Department of Plant and Environmental Sciences
Rasmussen et al. 2013
Detectie via sensoren Standaard camera
Department of Plant and Environmental Sciences
Rasmussen et al. 2013
Detectie via sensoren • Hyperspectrale camera’s (meten ook niet zichtbaar ‘licht’) Visible Light
Band 1 .45-.52
Band 2 .52-.60
LWIR
Spectrum SWIR Infra Red
Band 3 .63-.69
Band 4 .79-.90
Band 5 1.55-1.75
Band 7 2.08-2.35
Band 6 10.4-12.4
Spectrum Broadband to Multispectral
Hyperspectral
100s of Bands
• • •
Spectrale “handtekening” voor elke pixel van het beeld Meer info uit één beeld Maakt soortherkenning/meten planteigenschappen mogelijk Bron W.Bron: Saeys, KU LeuvenC. Kempenaar
Detectie via sensoren
• Hyperspectrale camera’s meten o.b.v reflectie – – – – –
Biomassa Water status N status Onkruiddetectie Ziektedetectie
Gezonde planten: - Lage reflectie rood (R670) - Hoge reflectie NIR (R800)
Verhouding: NVDI (biomassa)
NDVI = (R800 - R670)/(R800 + R670)
Bron www.agbusiness.ca
Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Hyperspectrale camera’s – N status
Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Hyperspectrale camera’s – Onkruiddetectie
controller
Spuitactie m.b.v electromagnetische klep
Reflectiemeting
Onderscheid tussen gewas en onkruid op basis van gereflecteerd licht Bron E. Vrindts, KU Leuven
Detectie via sensoren • Hyperspectrale camera’s – Ziektedetectie op bladniveau
Bron: Kempenaar C. Mahlein et al. (2013) Remote Sensing of Environment, 128: 21-30
•
Detectie via sensoren Reflectiemetingen gewas – Yara sensor: meet N-status • Vegetatie meten over 50 m² • Variabele bemesting/loofdoding
– Greenseeker: meet N status
www.yara.nl
• Field of view: 1,3 cm x 61 cm • Variabele bemesting/bespuiting
– Isaria, Cropscan, Crop Circle…
www.greenseeker.nl Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Reflectiemetingen gewas – Weedit: aanwezigheid gewas • • • • •
Meet aanwezigheid gewas Eén sensor per meter, sensor meet met nauwkeurigheid van 0,2 m Dopafstand 0,2 m Directe koppeling aan spuitdoppen met snelle elektromagn. kleppen (1 ms) Onkruidbestrijding, verhardingen
1m
www.weedit.com.au
Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Ultrasoonsensoren/lasersensoren – – – – –
Meet tijd tussen versturen en ontvangen van signaal afstandsmeting Geen invloed van lichtcondities Geen onderscheid tussen soorten Detectie/karakterisering van gewasrij, bomen, spuitboomhoogte, enz. Eventueel wel onderscheid onkruid vs. gewas op basis van hoogteverschil
Llorens et al., 2011, Sensors Bron: Kempenaar C.
Detectie via sensoren • Ultrasoonsensoren, lasersensoren – Gewasdichtheid, gewashoogte
Saeys et al. (2009). Biosystems Engineering, 102, 22-30
Bron: Kempenaar C.
Intelligentie (beslissingsmodel, software) • Wat? – Beslissingsmodel voor het vertalen van de ruimtelijke variatie in ziekte/gewasstand/onkruiddruk in richtlijnen voor spuiten van GBM (waar? hoeveel?)
• Onkruiden – Veel nood aan bijkomend onderzoek, veel factoren (Dosis-respons, onkruid en gewassituatie, populatiedynamica, enz.) – Momenteel vnl. eenvoudige beslisregels – Complexere modellen DecidHerb (Inra, Fr), CPO Weeds (AU, DK), enz.
Minimum effective dose (l/ha)
Reglone 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
20
40
Reflection parameter CropScan
60
Bron: Kempenaar C. Kempenaar C. Bron:
Intelligentie (beslissingsmodel, software)
• Ziektes
– Nog complexer omdat gewasreflectie niet enkel bepaald wordt door ziekte maar door diverse factoren (bodemgesteldheid, water, enz.) die bijkomende variatie veroorzaken – Ijkkaarten noodzakelijk om die variatie te reduceren – Vergelijking van actuele kaart met ijkkaart moet problemen in beeld brengen – Vraagt langdurig onderzoek en monitoring
• Bedrijfsmanagement systemen – Software voor bijhouden teeltgegevens en geodata – Presentatie Isagri – Steeds meer data beschikbaar • • • • • •
Meteo Opbrengst Data van sensoren Bodemgegevens Historische gegevens (vorige oogst) Plaatsspecifiek spuiten Bron: Kempenaar C.
Actuatoren • Wat? – Apparatuur voor het uitvoeren van plaatsspecifieke gewasbescherming met (relatief) grote precisie
• Welke? – Mechanisch: schoffelen – Chemisch: Plaatsspecifiek spuiten (on/off) • Individuele sectiecontrole • Individuele dopafsluiting – Selector (Dubex): individueel GPS gestuurde electr. dophouders
– Uitdaging = variabel doseren op korte afstand/tijd • Directe injectiesystemen kunnen oplossing bieden • Doppen met elektromagnetisch kleppen – Lechler varioselect systeem (16 ≠ debieten)
Bron: Kempenaar C.
Actuatoren • Voorbeelden: Sensispray (Nl.) voor loofdoding – 6 greenseeker sensoren + beslisregel + varioselect systeem – 20-70% besparing op product
Bron: Kempenaar C.
Precisielandbouw 3.0 • = behandeling op plantniveau (0,1 m² en kleiner) • Meeste besparingsmogelijkheden • Behandeling van individuele planten enkel mogelijk met ‘robots’? (smartbots) • R&D noodzakelijk – Sensortechnologie – Beslissingsmodellen – Drone waarnemingen -> hoe de data gebruiken? ILVO Isense project
Bron: Kempenaar C.
Precisielandbouw 3.0
Hortibot (Aarhus Univ., DK) - Autonoom (rijherkenning) - Onkruiddetectie met camera - Cel sprayer (4 cm x 10 cm)
Bonirob, Amazone
Bron: Kempenaar C.
Uitdagingen
• Kennis & innovatie naar de praktijk brengen • Knelpunten – Nog aantal technische beperkingen – Beslisregels – Meerprijs moet gedekt worden door besparingen en meeropbrengst (ondersteuning vanuit overheid?)
Bron: Kempenaar C.
www.spuithulp.be
Dank u voor uw aandacht! Contact:
[email protected], 09 272 27 82 www.ilvo.vlaanderen.be\spraytechlab www.spuithulp.be Instituut voor Landbouwen Visserijonderzoek Burg. Van Gansberghelaan 115 9820 Merelbeke – België T + 32 (0)9 272 28 00 F +32 (0)9 272 28 01
[email protected] www.ilvo.vlaanderen.be
