Учёные Южного федерального университета разработали способ дистанционного определения влажности семян подсолнечника по спектральным характеристикам нижней стороны корзинки.
Если убрать подсолнечник слишком рано — велики потери при обмолоте и расходы на досушку. Опоздать — осыплются семена, налетят птицы, разовьются грибки. Золотой серединой считается влажность 25–30% для обработки десикантами и 10–12% — для прямого комбайнирования. Но как узнать этот момент, если на кону тысячи гектаров?
Технология, на которую уже получен патент, позволяет с точностью до 98% определить, когда поле готово к десикации (обработка посевов специальными препаратами (десикантами), ускоряющими подсушивание и созревание растений) и уборке, просто просканировав посевы с беспилотника.
Эксперименты с подсолнечником проводятся в исследовательской лаборатории спектрального фенотипирования сельскохозяйственных растений, созданной в ЮФУ в июле 2025 года.
На данный момент здесь работают десять человек, и больше половины из них — это молодые ученые: студенты и аспиранты ЮФУ. Междисциплинарный подход стал ключевой особенностью команды: здесь собрались не только биологи, но и IT-специалисты, математики, эксперты по нейросетям. Программное обеспечение для анализа спектральных данных учёные пишут сами, используя алгоритмы машинного и глубокого обучения.
«Мы можем установить программное обеспечение на оборудование заказчика, чтобы он мог сам всё анализировать, имея в штате беспилотную технику. Для небольших фермерских хозяйств это может быть онлайн-сервис, когда фермер сам пролетает поле, загружает данные и получает информацию о своём поле. Также это может быть услуга для сервисных компаний, которые оказывают услуги сельскому хозяйству и имеют свои беспилотники, — расширение спектра их услуг. Ещё один вариант — продажа неисключительной лицензии или интеграция наших технологий в виде модулей в существующие платформы точного земледелия. Вариантов много, и мы прорабатываем их все», — поясняет заведующий лабораторией Павел Дмитриев.
На практике сегодня используются два основных подхода, и у обоих серьёзные ограничения. Первый — визуальный: считается, что подсолнечник созрел, когда корзинка с тыльной стороны из жёлтой становится коричневой, а лепестки засыхают. Но это лишь ориентир: влажность семян в этой фазе может колебаться от 10 до 18%, а для десикации нужно попасть в коридор 25–30%. На глаз такие цифры не определишь. Второй — лабораторный: специалисты выезжают в поле, выборочно выкашивают пробные партии растений и везут образцы в лабораторию, где их высушивают в специальных шкафах. Процедуру приходится повторять несколько раз за сезон, тратя человеко-часы, топливо и теряя часть урожая на опытных делянках.
Беспилотники в сельском хозяйстве России уже не экзотика. Компании активно используют агродроны для мониторинга полей. Однако большинство существующих решений работают с вегетационными индексами, такими как NDVI, которые отлично показывают общее состояние растений, стресс, засуху, болезни, но не позволяют определить влажность семян по листьям или общему виду посевов. Существующие сервисы точного земледелия предоставляют, по сути, дополнительную информацию о поле, но не могут измерить конкретные параметры: влажность, поражение фитопатогенами, состояние микроэлементов.
Учёные ЮФУ предложили свое решение: смотреть не на семена, которые скрыты в корзинке, а на тыльную сторону соцветия. В процессе созревания её цвет и отражательная способность закономерно меняются вместе с влажностью семян. Эксперимент проводился на полях агрохолдинга «СТЕПЬ» в Сальском районе Ростовской области. Исследователи собрали корзинки подсолнечника сорта «Джинн М» на разных стадиях — от налива семян до полного созревания. В лаборатории с помощью гиперспектральной камеры, работающей в диапазоне 450–950 нм, сняли спектры тыльной стороны, а затем измерили реальную влажность семян на анализаторе.
Чтобы превратить спектры в рабочий инструмент, применили машинное обучение — алгоритм случайного леса. Модель обучили на 70% образцов и протестировали на оставшихся 30%. Результат впечатляет: точность определения влажности по тыльной стороне корзинки достигла 98% с погрешностью всего 3–4%, что вполне достаточно для принятия агрономических решений.
«Мы доказали, что смотреть нужно именно на тыльную сторону корзинки. Семена спрятаны, но химические процессы в тканях соцветия напрямую связаны с их созреванием. Хлорофилл разрушается, каротиноиды меняют соотношение — и всё это видно спектрометру. Нам помогли индексы, чувствительные к пигментам: CCI, Booch, Datt3, TCARI и другие. Они уловили даже те изменения, которые человеческий глаз не различает. Проблема в том, что агроном определяет влажность точно в отношении к отдельным растениям, но есть большая проблема с репрезентативной выборкой, чтобы правильно оценить ситуацию по всему полю. Наши технологии призваны заменить существующие инструменты — не просто дать дополнительную информацию, а фактически измерить влажность по отношению ко всей тысяче растений на поле», — рассказывает Павел Дмитриев.
Важно, что метод работает после десикации. Когда растение обрабатывают препаратами для подсушки, хлорофилл разрушается резко, и простые индексы вроде NDVI «сходят с ума». Но комбинация из девяти индексов, подобранная учёными ЮФУ, сохраняет точность и позволяет контролировать динамику влажности вплоть до уборки. В прошлом году учёные провели стендовые испытания, подтвердившие возможность переноса технологии из лаборатории в поле. Погрешность при измерении новым методом составила чуть больше процента от показателей, полученных классическим путём. Сейчас исследователи на финальной стадии разработки прототипа системы определения влажности. В этом году планируются испытания на реальных полях с индустриальными партнёрами.
В отличие от точечных проб, новая технология позволяет получить карту спелости на всё поле — не пять-десять пробных точек, а сотни тысяч измерений с привязкой к каждому квадратному метру. Это даёт возможность планировать очерёдность уборки: где влажность уже двенадцать процентов — туда и отправлять комбайны, а где ещё восемнадцать — подождать. Экономия ресурсов тоже значительна: не нужно гонять технику по полю для выкашивания пробных партий, не нужно терять урожай на экспериментальных делянках. Убрать вовремя — значит избежать осыпания, поражения грибками и налётов птиц.
Коммерциализация технологии может идти разными путями. Для агрохолдингов возможна установка программного обеспечения непосредственно у заказчика: имея в штате беспилотную технику, агрономы смогут самостоятельно пролетать поля, загружать данные в программу и получать ответ о влажности на конкретном поле и её распределении.
Для небольших фермерских хозяйств подойдёт онлайн-сервис по модели SaaS, когда фермер обращается в сервисную компанию, которая оказывает услуги сельскому хозяйству и имеет свои беспилотники, они пролетают над его полем, загружают данные в облако и получают информацию. Для разработчиков платформ точного земледелия возможна интеграция технологии в виде модулей в существующие сервисы.
Исследование опубликовано в международном журнале Seeds, а на способ дистанционного определения влажности получен патент РФ № 2842590. В ближайших планах учёных — расширение на другие культуры: озимую пшеницу, ячмень, нут, горох. Работа выполнена при поддержке программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодёжь и дети»), которая позволила обновить приборную базу и привлечь молодые кадры.
«Благодаря программе "Приоритет-2030" у нас появилась возможность обновить приборную базу, получить современное оборудование для разработки конкурентоспособных технологий, связанных с гиперспектрометрией, и возможность привлечь дополнительные кадры. Просто пойти на рынок, дать объявление и взять готовых специалистов в лабораторию невозможно — таких специалистов нет. Они могут появиться только внутри лаборатории, и мы привлекаем студентов и аспирантов для работы, чтобы из них вырастить специалистов с необходимыми компетенциями», — добавляет исследователь.
Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех ключевых стратегических технологических проектов вуза: «Технологии биоинженерии почв», «Технологии многофункциональной микроэлектроники и интеллектуальной сенсорики для биогибридных и киберфизических систем» и «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство».
Стань частью нового рода войск — Войск беспилотных систем
Автор текста: Алексей Романенко, ред. Ольга Молоткова
Краткая ссылка на новость sfedu.ru/news/79785
