Au cours de la dernière décennie, la recherche agricole est devenue de plus en plus avancée, en grande partie grâce aux véhicules aériens sans pilote, autrement connus sous le nom de drones. À l'Université d'État du Dakota du Sud, les drones sont devenus intégrés dans une variété d'activités de recherche, mais ont sans doute été les plus percutants dans la recherche agricole.

Maitiniyazi Maimaitijiang, professeur adjoint au Département de géographie et des sciences géospatiales, a travaillé en collaboration avec d'autres membres du corps professoral pour mener des recherches agricoles liées aux drones au cours des dernières années, en particulier en ce qui concerne le diagnostic précoce du stress hydrique des cultures, la carence en nutriments , la santé et les maladies des cultures—menaces majeures pour la sécurité alimentaire et les estimations du rendement des cultures.

« Nous essayons de développer des solutions et des outils robustes, rapides, précis et opérationnels pour détecter et diagnostiquer le stress hydrique des cultures, les carences en nutriments, la santé et les maladies des cultures, en particulier la détection précoce », a déclaré Maimaitijiang. "Nous essayons de développer de nouveaux algorithmes utilisant des satellites, utilisant des drones, utilisant l'intelligence artificielle, utilisant différents types d'informations, pour détecter cela à l'avance avant que les symptômes ne deviennent visibles. Parce qu'une fois que cela devient visible, le contrôle pourrait être trop tard."

Une fois que la maladie devient visible au niveau des feuilles, même la pulvérisation peut devenir inutile, a noté Maimaitijiang.

Auparavant, la méthode traditionnelle de détection des maladies des cultures était laborieuse et chronophage, nécessitant des heures et des heures de collecte fastidieuse de données sur des acres et des acres de champs. La technologie des drones a créé une méthode plus efficace et plus fiable pour détecter les maladies des cultures. Bien qu'il ne soit pas encore une science parfaite, l'apprentissage en profondeur a fait des percées dans le domaine du traitement d'images numériques, qui, combiné à la technologie des drones, a propulsé la recherche agricole vers l'avant ces dernières années.

Maimaitijiang et Shahid Khan, doctorant, ont passé les derniers mois à collecter des données à l'aide de drones pour approfondir leurs recherches. Vous trouverez ci-dessous un résumé des tenants et aboutissants de devenir pilote de drone et un aperçu de leur processus de recherche.

Devenir pilote de drone

Maimaitijiang a fait ses débuts dans les drones en 2015 à l'Université Saint Louis, où il a obtenu son doctorat.

"J'ai travaillé dans le laboratoire de télédétection là-bas", a déclaré Maimaitijiang. "La plupart de mon travail était lié aux drones."

Entre 2015 et 2022, l'industrie des drones a considérablement augmenté. En 2020, le marché des drones commerciaux était fixé à 13,44 milliards de dollars et devrait doubler tous les deux ans jusqu'en 2028.

Le département de géographie et de sciences géospatiales du SDSU, les experts de facto en drones sur le campus, a répondu à la croissance de l'industrie et a commencé à proposer des cours de drones en 2017. Désormais, le département propose un certificat en systèmes d'aéronefs sans pilote, qui nécessite 12 heures de crédit, et sera offrir une mineure de 18 heures-crédits en systèmes d'aéronefs sans pilote, qui devrait commencer provisoirement à l'automne 2023.

La classe principale pour l'instruction des drones au SDSU est "GEOG 270, Introduction aux petits systèmes d'aéronefs sans pilote". GEOG 270 est en quelque sorte un cours de "melting pot", avec des étudiants des programmes d'aviation, d'agriculture, d'agriculture de précision et de gestion de la construction, entre autres, tous réunis pour apprendre à piloter et à utiliser des drones. Un autre cours clé GEOG 483/583 UAS Remote Sensing forme les étudiants avec de multiples outils et compétences pour le traitement d'images de drones qui génère des cartes et des produits utilisables.

Après avoir suivi ce cours, les étudiants ont les connaissances nécessaires pour réussir le certificat de pilote à distance Part 107 de la Federal Aviation Administration, une exigence pour l'exploitation commerciale d'un drone. Tous les chercheurs qui intègrent des drones dans leurs travaux doivent passer le test de la FAA.

Khan se souvient avoir été un peu nerveux avant de passer son test de certification FAA. Il avait étudié deux à trois heures par jour pendant environ une semaine, mais n'était toujours pas convaincu qu'il allait réussir.

"Je pensais que cela pourrait être difficile et que je pourrais échouer", a déclaré Khan. "Mais j'y suis allé, j'ai passé le test et ça s'est très bien passé. J'ai réussi et j'ai obtenu la certification."

Après avoir obtenu sa licence FAA, Khan a pu commencer à piloter des drones. Mais plutôt que de piloter les drones de qualité commerciale utilisés lors de la collecte de données, Maimaitijiang a demandé à Khan d'apprendre à piloter un drone beaucoup plus difficile :un DEERC D20, un "mini" drone à 50 $ conçu pour les enfants.

"Celui-là n'est en fait pas facile à piloter", a déclaré Maimaitijiang. "Il n'a ni GPS ni baromètre, il n'y a donc pas de mode de vol stationnaire automatique. Il peut être très instable."

À l'aide de ces drones "passe-temps", Khan et d'autres doctorants se préparent à piloter des drones de qualité commerciale. Après 20 heures de formation, au cours desquelles ils s'exercent à différents atterrissages, décollages et trajectoires de vol, les élèves sont prêts pour la "grande cour".

"Une fois que vous vous êtes habitué à celui-là, il est beaucoup plus facile de piloter ces plus gros (drones)", a déclaré Khan.

Piloter les drones de qualité commerciale est étonnamment assez simple, a déclaré Maimaitijiang.

"La raison principale est que la plupart de ces drones commerciaux ont de très bons appareils GPS et baromètre", a expliqué Maimaitijiang. "Lorsque vous décollez, il peut automatiquement ajuster sa position et y planer, même lorsque vous retirez vos mains des commandes."

Les drones peuvent également être programmés pour effectuer des missions autonomes. Avant de se diriger vers un domaine de recherche, Maimaitijiang et ses étudiants programmeront une trajectoire de vol pour le drone.

"Avant le vol, vous devez faire la planification de la mission", a déclaré Maimaitijiang. "Vous avez besoin de programmer la hauteur de vol, la vitesse de vol, les trajectoires de vol - tous ces paramètres dont vous avez besoin pour définir le prévol, puis envoyer ces informations au drone."

Une fois sur le terrain, le drone volera de lui-même et Maimaitijiang pourra se concentrer sur les données collectées. En raison des règles de la FAA, il faut toujours que quelqu'un tienne le contrôleur du drone.

"Nous téléchargeons la mission et en un seul clic, elle décollera automatiquement, collectera les données puis reviendra", a expliqué Maimaitijiang.

Certains drones peuvent voler pendant environ deux heures, et d'autres peuvent voler pendant 30 minutes. Tout dépend du type de drones (à voilure fixe ou drone rotatif), ainsi que de la charge utile et de la quantité d'équipement qu'il transporte. Ils couvriront généralement entre 10 et 50 acres pendant un vol.

"Ce sont les principales limites de ces drones", a déclaré Khan. "Vous ne pouvez pas couvrir trop de surface avec ces batteries."

Il y a certaines restrictions que les pilotes de drones doivent garder à l'esprit. Les drones ne sont pas censés voler à plus de 400 pieds de haut et, pour de nombreuses situations de vol, nécessitent l'approbation de l'aéroport local si la zone de vol est proche. Les pilotes doivent également disposer de plans d'urgence, d'une assurance et de l'approbation des propriétaires fonciers.

La plupart des drones ne peuvent pas être pilotés lorsqu'il pleut, mais ils peuvent être pilotés en hiver, tant qu'il ne fait pas trop froid ou trop venteux. Pour les drones rotatifs, la vitesse du vent doit souvent être inférieure à 15 mph et ne peut pas avoir de rafales supérieures à 20 mph pour des raisons de sécurité, un défi dans le Dakota du Sud. Ces types de drones ne supportent pas non plus la chaleur extrême. Pour que les données soient collectées avec précision, les conditions doivent être favorables et très douces.

"C'est pourquoi lorsque vous passez le test FAA pour la certification, il y a beaucoup de questions liées à la météo, car ils veulent vraiment que vous soyez conscient des nuages, du vent et de tout le reste", a déclaré Khan. "Une chose sur laquelle ils se concentrent spécifiquement est que vous devez planifier en fonction de la météo. Donc, avant de planifier un vol à des endroits spécifiques, vous devez vérifier la météo."

Bien que les drones soient absolument nécessaires pour la collecte de données, ils ne sont qu'un véhicule pour l'équipement de recherche le plus important et le plus coûteux :les capteurs. Alors que les drones haut de gamme nécessaires pour le type de recherche que Maimaitijiang fait peuvent coûter entre 5 000 $ et 15 000 $, les capteurs infrarouges nécessaires pour collecter les données peuvent être cinq à 10 fois plus chers.

"Certains capteurs sont compatibles avec certains drones, tandis que d'autres ne le sont pas. Le drone est juste le véhicule pour transporter ces capteurs", a déclaré Khan. "Ils sont vraiment comme l'épine dorsale du système."

Les capteurs hyperspectraux ne sont en réalité que des caméras très haut de gamme qui collectent les données dans différentes gammes de spectres électromagnétiques, a déclaré Khan.

Collecte de données

Lorsque la météo coopère suffisamment pour faire voler le drone, Maimaitijiang se rendra dans diverses fermes et champs de recherche pour collecter des données. Sur les champs, il pilotera des drones de qualité commerciale à différentes hauteurs, qui collectent des données à l'aide de capteurs hautes performances.

"Quand il survole un champ de blé, par exemple, il collecte des images", a déclaré Maimaitijiang. "Nous utilisons ces images, désormais qualifiées de données, pour former des modèles d'apprentissage automatique d'intelligence artificielle. Il peut ensuite détecter automatiquement s'il y a une maladie."

En utilisant ces informations, les agriculteurs seraient en mesure d'appliquer une quantité spécifique de pulvérisation chimique de contrôle de la résistance aux fongicides à des endroits spécifiques (de manière plus efficace) pour débarrasser leur champ de la maladie, a noté Maimaitijiang.

"Nous pouvons utiliser des techniques de drones pour obtenir automatiquement l'état de croissance, la hauteur de la canopée, la santé des cultures et le niveau de maladie, les nutriments et le niveau de stress hydrique et prédire le rendement final", a déclaré Maimaitijiang. "Nous prenons simplement ces données (qui ont été collectées à partir d'un passage de drone) et construisons des modèles d'intelligence artificielle pilotés par des données. Ce modèle utilise les données pour détecter ces différents paramètres."

Les données collectées par les drones sont bénéfiques à la fois pour les agriculteurs et les sélectionneurs car ils sont capables d'accélérer le processus de sélection des phénotypes végétaux avec une grande efficacité, a déclaré Maimaitijiang.

Khan, qui a déjà publié un article de recherche sur les prévisions de rendement des cultures à l'aide de données de télédétection provenant de satellites, fait maintenant un travail similaire, sauf qu'au lieu de satellites, il utilise des drones.

"Actuellement, ce que nous faisons, c'est faire voler des drones au-dessus de différentes cultures à différents stades du cycle de croissance, comme le stade précoce, le stade de croissance, puis à maturité", a déclaré Khan. "Nous volons 10 à 12 fois à chaque saison de culture."

Les données collectées sur les cultures sont ensuite corrélées avec le rendement des cultures et d'autres paramètres, a déclaré Khan. Son travail de recherche spécifique vise à estimer avec précision le rendement des cultures avant la récolte.

L'objectif primordial des recherches de Khan est de rendre les rendements des cultures plus efficaces pour les agriculteurs.

"Une autre chose est qu'avant la récolte, (les agriculteurs) peuvent voir ce qui se passe dans leurs cultures", a déclaré Khan. "Donc, s'ils ont besoin de faire une intervention ou s'ils ont besoin de prendre des décisions, comme augmenter les engrais ou autre chose, cela peut les aider dans le processus de prise de décision pour augmenter le rendement ou contrôler les maladies."

Utilisations futures

À l'avenir, Khan souhaite continuer à rechercher les caractéristiques des cultures à l'aide de drones tout en s'aventurant dans une surveillance accrue des maladies. Il envisage également de travailler avec des chercheurs de collèges tribaux pour rechercher des espèces envahissantes à l'aide de la technologie des drones.

Alors que les drones continuent de filtrer de plus en plus dans le courant dominant, des percées continueront de se produire, a théorisé Maimaitijiang.

"Les drones ont rendu la recherche beaucoup plus facile", a déclaré Maimaitijiang. "Intégrés à l'intelligence artificielle, dans la sélection végétale, les drones agricoles de précision révolutionnent fondamentalement le dépistage des cultures dans ces champs." + Explorer plus loin

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