Durante la última década, la investigación agrícola se ha vuelto cada vez más avanzada, en gran parte debido a los vehículos aéreos no tripulados, también conocidos como drones. En la Universidad Estatal de Dakota del Sur, los drones se han integrado en una variedad de actividades de investigación, pero podría decirse que han sido las más impactantes en la investigación agrícola.

Maitiniyazi Maimaitijiang, profesor asistente en el Departamento de Geografía y Ciencias Geoespaciales, ha estado trabajando en conjunto con otros miembros de la facultad para realizar investigaciones agrícolas relacionadas con drones durante los últimos años, específicamente en relación con el diagnóstico temprano del estrés hídrico de cultivos, deficiencia de nutrientes , la salud y las enfermedades de los cultivos:las principales amenazas para la seguridad alimentaria y las estimaciones del rendimiento de los cultivos.

"Estamos tratando de desarrollar soluciones y herramientas sólidas, rápidas, precisas y operativas para detectar y diagnosticar el estrés hídrico de los cultivos, la deficiencia de nutrientes y la salud y las enfermedades de los cultivos, especialmente la detección temprana", dijo Maimaitijiang. “Estamos tratando de desarrollar algunos algoritmos nuevos usando satélites, drones, inteligencia artificial, usando diferentes tipos de información, para detectar esto antes de que los síntomas se vuelvan visibles. Porque una vez que se vuelve visible, el control podría ser demasiado tarde”.

Una vez que la enfermedad se vuelve visible a nivel de la hoja, incluso el rociado puede volverse inútil, anotó Maimaitijiang.

Anteriormente, el método tradicional para detectar enfermedades en los cultivos era laborioso y requería mucho tiempo, requería horas y horas de tediosa recopilación de datos en acres y acres de campos. La tecnología de drones ha creado un método más eficiente y confiable para detectar enfermedades en los cultivos. Si bien aún no es una ciencia perfecta, el aprendizaje profundo ha hecho avances en el campo del procesamiento de imágenes digitales, que combinado con la tecnología de drones, ha impulsado la investigación agrícola en los últimos años.

Maimaitijiang y Shahid Khan, estudiante de doctorado, han pasado los últimos meses recolectando datos usando drones para avanzar en su investigación. A continuación se muestra una sinopsis de los entresijos de convertirse en piloto de drones y un resumen de su proceso de investigación.

Convertirse en piloto de drones

Maimaitijiang comenzó su carrera inicial con drones en 2015 en la Universidad de Saint Louis, donde obtuvo su doctorado.

"Trabajé en el laboratorio de detección remota allí", dijo Maimaitijiang. "La mayor parte de mi trabajo estaba relacionado con cosas relacionadas con drones".

Entre 2015 y 2022, la industria de los drones aumentó sustancialmente. En 2020, el mercado de drones comerciales se estimó en 13 440 millones de dólares y se espera que se duplique cada dos años hasta 2028.

El Departamento de Geografía y Ciencias Geoespaciales de SDSU, los expertos en drones de facto en el campus, respondieron al crecimiento de la industria y comenzaron a ofrecer instrucción sobre drones en 2017. Ahora, el departamento ofrece un certificado en sistemas de aeronaves no tripuladas, que requiere 12 horas de crédito, y ofrecer una especialización de 18 horas de crédito en sistemas de aeronaves no tripuladas, programada tentativamente para comenzar en el otoño de 2023.

La clase principal para la instrucción de drones en SDSU es "GEOG 270, Introducción a los sistemas de aeronaves pequeñas no tripuladas". GEOG 270 es una especie de curso de "crisol", con estudiantes de aviación, agricultura, agricultura de precisión y programas de administración de la construcción, entre otros, que se reúnen para aprender a volar y operar drones. Otro curso clave GEOG 483/583 UAS Remote Sensing capacita a los estudiantes con múltiples herramientas y habilidades para el procesamiento de imágenes de drones que genera mapas y productos utilizables.

Después de tomar esa clase, los estudiantes tienen el conocimiento para aprobar el Certificado de Piloto Remoto Parte 107 de la Administración Federal de Aviación, un requisito para la operación comercial de un dron. Todos los investigadores que incorporen drones a su trabajo deben pasar la prueba de la FAA.

Khan recuerda estar un poco nervioso antes de tomar su examen de certificación de la FAA. Había estudiado de dos a tres horas al día durante aproximadamente una semana, pero aún no estaba convencido de que iba a aprobar.

"Pensé que podría ser difícil y que podría fallar", dijo Khan. "Pero fui allí, hice la prueba y me fue muy bien. Aprobé y obtuve la certificación".

Después de obtener su licencia de la FAA, Khan pudo comenzar a volar drones. Pero en lugar de volar los drones de grado comercial utilizados durante la recopilación de datos, Maimaitijiang le indicó a Khan que aprendiera a volar un dron mucho más desafiante:un DEERC D20, un "mini" dron de $50 diseñado para niños.

"Ese en realidad no es fácil de volar", dijo Maimaitijiang. "No tiene GPS ni barómetro, por lo que no hay un modo de vuelo estacionario automático. Puede ser muy inestable".

Usando estos drones "aficionados", Khan y otros estudiantes de doctorado se preparan para volar los drones de grado comercial. Tras 20 horas de formación, en las que practican diferentes aterrizajes, despegues y trayectorias de vuelo, los alumnos están preparados para las "grandes ligas".

"Una vez que te acostumbras a ese, es mucho más fácil volar estos (drones) más grandes", dijo Khan.

Volar los drones de grado comercial es sorprendentemente bastante sencillo, dijo Maimaitijiang.

"La razón principal es que la mayoría de estos drones comerciales tienen muy buenos dispositivos de GPS y barómetro", explicó Maimaitijiang. "Cuando despegas, puede ajustar automáticamente su posición y flotar allí, incluso cuando quitas las manos de los controles".

Los drones también se pueden programar para realizar misiones autónomas. Antes de dirigirse a un campo de investigación, Maimaitijiang y sus estudiantes programarán una ruta de vuelo para el dron.

"Antes del vuelo, debe hacer la planificación de la misión", dijo Maimaitijiang. "Necesita un programa en la altura de vuelo, la velocidad de vuelo, las rutas de vuelo:todos esos parámetros que necesita para definir la verificación previa y luego enviar esta información al dron".

Una vez en el campo, el dron volará solo y Maimaitijiang puede concentrarse en los datos que se recopilan. Sin embargo, debido a las reglas de la FAA, todavía es necesario que haya alguien que sostenga el controlador del dron.

"Cargamos la misión y con solo un clic, despegará automáticamente, recopilará los datos y luego regresará", explicó Maimaitijiang.

Algunos drones pueden volar alrededor de dos horas y otros pueden volar durante 30 minutos; todo depende del tipo de drones (dron de ala fija o rotatorio), y también de la carga útil y la cantidad de equipo que transporta. Por lo general, cubrirán entre 10 y 50 acres durante un vuelo.

“Esas son las principales limitaciones de estos drones”, dijo Khan. "No se puede cubrir demasiada área con estas baterías".

Hay algunas restricciones que los pilotos de drones deben tener en cuenta. Se supone que los drones no deben volar a más de 400 pies de altura y, para muchas situaciones de vuelo, requieren la aprobación del aeropuerto local si el área de vuelo está cerca. Los pilotos también deben tener a mano planes de emergencia, seguros y la aprobación de los propietarios.

La mayoría de los drones no se pueden volar mientras llueve, pero se pueden volar durante el invierno, siempre que no haga demasiado frío o viento. Para los drones rotatorios, las velocidades del viento a menudo deben ser inferiores a 15 mph y no pueden tener ráfagas de más de 20 mph por seguridad, un desafío en Dakota del Sur. Estos tipos de drones tampoco pueden soportar el calor extremo. Para que los datos se recopilen con precisión, las condiciones deben ser favorables y muy suaves.

“Es por eso que cuando tomas la prueba de certificación de la FAA, hay muchas preguntas relacionadas con el clima porque realmente quieren que estés al tanto de las nubes, el viento y todo lo demás”, dijo Khan. "Una cosa en la que se enfocan específicamente es en la necesidad de planificar de acuerdo con el clima. Por lo tanto, antes de planificar un vuelo en lugares específicos, debe verificar el clima".

Si bien los drones son absolutamente necesarios para la recopilación de datos, son simplemente un vehículo para el equipo de investigación más importante y costoso:los sensores. Mientras que los drones de alta gama necesarios para el tipo de investigación que hace Maimaitijiang pueden costar entre 5.000 y 15.000 dólares, los sensores infrarrojos necesarios para recopilar los datos pueden ser de cinco a diez veces más caros.

“Ciertos sensores son compatibles con ciertos drones, mientras que otros no lo son. El dron es solo el vehículo para transportar esos sensores”, dijo Khan. "Son realmente como la columna vertebral del sistema".

Los sensores hiperespectrales son en realidad cámaras de muy alta gama que recopilan datos en diferentes rangos de espectros electromagnéticos, dijo Khan.

Recopilación de datos

Cuando el clima coopere lo suficiente como para hacer volar el dron, Maimaitijiang viajará a varias granjas y campos de investigación para recopilar datos. En los campos, volará drones de grado comercial a varias alturas, que recopilan datos utilizando sensores de alto rendimiento.

"Cuando vuela sobre un campo de trigo, por ejemplo, recopila imágenes", dijo Maimaitijiang. "Usamos estas imágenes, ahora etiquetadas como datos, para entrenar modelos de aprendizaje automático de inteligencia artificial. Luego, puede detectar automáticamente si hay una enfermedad".

Utilizando esta información, los agricultores podrían aplicar una cantidad específica de rociado químico para el control de la resistencia a los fungicidas en lugares específicos (de una manera más eficiente) para eliminar las enfermedades de su campo, anotó Maimaitijiang.

"Podemos usar técnicas de drones para obtener automáticamente el estado de crecimiento, la altura del dosel, la salud de los cultivos y el nivel de enfermedades, los nutrientes y el nivel de estrés hídrico y predecir el rendimiento final", dijo Maimaitijiang. "Simplemente tomamos esos datos (que se recopilaron de un pase de dron) y construimos algunos modelos de inteligencia artificial de control de datos. Este modelo usa los datos para detectar esos diferentes parámetros".

Los datos recopilados de los drones son beneficiosos tanto para los agricultores como para los mejoradores, ya que pueden acelerar el proceso de mejoramiento de fenotipos de plantas con alta eficiencia, dijo Maimaitijiang.

Khan, a quien anteriormente se le publicó un artículo de investigación sobre predicciones de rendimiento de cultivos usando datos de sensores remotos de satélites, ahora está haciendo un trabajo similar, excepto que en lugar de satélites, está usando drones.

"Actualmente, lo que estamos haciendo es volar drones sobre diferentes cultivos en diferentes etapas del ciclo de crecimiento, como en la etapa inicial, en la etapa de crecimiento y luego en la madurez", dijo Khan. "Volamos de 10 a 12 veces cada temporada de cultivo".

Los datos recopilados de los cultivos luego se correlacionan con el rendimiento del cultivo y otros parámetros, dijo Khan. Su trabajo de investigación específico busca estimar con precisión el rendimiento de los cultivos antes de la cosecha.

El objetivo general de la investigación de Khan es hacer que el rendimiento de los cultivos sea más eficiente para los agricultores.

"Otra cosa es que, antes de la cosecha, (los agricultores) pueden ver lo que está pasando en sus cultivos", dijo Khan. "Entonces, si necesitan hacer alguna intervención o si necesitan tomar algunas decisiones, como aumentar los fertilizantes o algo más, puede ayudarlos en el proceso de toma de decisiones para aumentar el rendimiento o controlar enfermedades".

Usos futuros

En el futuro, Khan quiere continuar investigando las características de los cultivos a través de drones mientras se aventura en un mayor control de enfermedades. También busca trabajar con investigadores en universidades tribales para buscar especies invasoras utilizando tecnología de drones.

A medida que los drones continúan filtrándose cada vez más en la corriente principal, seguirán ocurriendo avances, teorizó Maimaitijiang.

"Los drones han facilitado mucho la investigación", dijo Maimaitijiang. "Integrados con inteligencia artificial, en fitomejoramiento, los drones agrícolas de precisión básicamente están revolucionando la exploración de cultivos en esos campos". + Explora más

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