Table of Contents

Remote Sening Technologies Reshaping Agricultural Machinery Operations

وتشهد الزراعة الحديثة تحولاً نابعاً من البيانات، وفي قلب هذا التحول تكمن تكنولوجيا الاستشعار عن بعد، إذ إن هذه الأدوات، بجمع المعلومات عن المحاصيل والتربة من أعلاه، تعطي المزارعين نظرة عينية على حقولهم التي لم يكن بالإمكان تصورها إلا منذ جيل فقط، وهذه القدرة قد أدمجت مباشرة في تشغيل الجرارات والحصادات والرشات وغيرها من المعدات، مما يتيح اتخاذ قرارات تستند إلى ظروف حقيقية في الميدان وليس إلى تخمينات هامة.

Understanding Remote Sening Technologies in Agriculture

كيف يعمل الاستشعار عن بعد

والاستشعار عن بعد هو علم الحصول على معلومات عن جسم أو سطح دون إجراء اتصال مادي، ويعني ذلك عادة في الزراعة استخدام أجهزة الاستشعار المثبتة على السواتل أو الطائرات بدون طيار أو الطائرات التي تلتقط الإشعاع الكهرومغناطيسي المعبر عنه أو المنبعث من المحاصيل والتربة، وتظهر البيانات التي يتم جمعها في كثير من الأحيان في شكل صور أو علامات على الطيف تفاصيل عن صحة النباتات والإجهاد الناجم عن وجود نقص في الموجات التغذوية.

أجهزة الاستشعار الرئيسية

والاستشعار عن بعد الزراعي ليس نهجاً يناسب الجميع، إذ يُستخدم العديد من أنواع الاستشعار عادة، ويلائم كل منها تطبيقات مختلفة:

  • Multispectral sensors:] Capture data in several discrete spectral bands, typically including red, green, near-infrared (NIR), and sometimes red-edge. Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) is a traditional vegetation index derived from such data, widely used to assess crop vigor.
  • Hyperspectral sensors:] Collect data in hundreds of narrow contiguous bands, enabling detailed analysis of plant chemistry, moisture content, and disease detection. While powerful, these sensors are more expensive and data- intensive.
  • Thermal sensors:] Measure surface temperature. In crops, thermal data can indicate water stress because transpiring leaves are cooler. This is valuable for scheduling irrigation precisely.
  • LiDAR (Light Detection and Ranging): ] Uses laser pulses to create high-resolution 3D maps of field topography and crop canopy structure. This data helps with drainage planning, plant high estimation, and changing-rate seeding.
  • SAR (Synthetic Aperture Radar): ] Active radio sensors that can penetrate clouds and operate day or night, providing soil moisture and crop structure information even under poor weather conditions.

منابر: السواتل والطائرات

وتقدم كل من هذه البرامج عروضاً في مجال الاستبانة المكانية والتواتر الزمني والتكاليف، أما السواتل مثل الساتل سينتينيل - 2 (الخالية من 10 إلى 20 متراً وإعادة النظر في 5 أيام) أو مقدمي الخدمات التجارية (مثلاً، بلانيت، ماكسار) فيوفرون تغطية واسعة النطاق للتحليل الإقليمي ولكن يمكن أن تكون محدودة بالغطاء السحابي، ويمكن للطائرات التي تقل عن الغيومات الصغيرة أن تقدم حلولامترات المتوسطة الحجم وتضع خرائط مرنة، مما يجعلها مثالياً.

إدماج الاستشعار عن بعد في عمليات الآلات الزراعية

وتبرز القوة الحقيقية للاستشعار عن بعد عندما تُدمج بياناته مباشرة في نظم الرقابة على المعدات الزراعية، مما يتيح استجابات آلية أو شبه مدمجة تُفضي إلى أقصى قدر من المرور عبر الميدان.

التخطيط والرؤية الدقيقان

ويمكن استخدام خرائط بيانات الاستشعار عن بعد - خاصة من خرائط التربة وخرائط الغلة التاريخية المستمدة من الصور الساتلية - في وضع وصفات أولية قائمة على المناطق، مثلا، يمكن أن تحصل المناطق ذات المادة العضوية الأعلى أو القدرة على حيازة المياه على معدلات أعلى، في حين تخفض المناطق الهامشية معدلاتها، وتضبط المزارع الحديثة المجهزة بمركبات متغيرة الحجم عمق البذور، وتستعمل كل منها خرائط موح َّدة، وترتفع عن طريق مركب مركب مركب.

تطبيقات المصانع ومبيدات الآفات ذات المعدل المتغير

وربما يكون تنفيذ الاستشعار عن بعد على نطاق واسع في مجال تكنولوجيا الأسعار المتغيرة، ففي أثناء العمليات التي تجري في البحار، تستخدم خرائط النيتروجين أو التصوير بالسواتل لوضع خرائط تطبيقية للنيتروجين والفوسفور والبخار أو أجهزة تنظيم النمو، ويمكن للرشات ذاتية الدفع والموزعات أن تعدل معدلات الاستخدام في الوقت الحقيقي لهذه الخرائط مقرونة بمقياس GPS.

التوجيه والتوجيه الآليان

وفي حين أن هذا النظام لا يشكل مدخلاً للاستشعار عن بعد، فإن وجود نظام لتحديد المواقع على نطاق واسع - كثيراً ما يضاف إلى ذلك تصحيحات ذاتية في الوقت الحقيقي - يشكل شكلاً من أشكال المواقع عن بعد، وعندما يقترن ذلك بخرائط حدودية ميدانية مستمدة من صور السواتل أو الطائرات بدون طيار، يمكن للجرارات والجمع أن يبثوا بأنفسهم بدقة قياسية، وهذا يقلل من التداخلات أثناء الزراعة، والرش، والآلات.

الكشافة الميدانية ورصد صحة المحاصيل

وتستخدم الطائرات المجهزة بكاميرات متعددة الأطياف بشكل روتيني للكشف الجوي، وبدلا من المشي في الميدان وتقييم حالة المحاصيل بصريا، يمكن للمزارع أو الزراعية أن يطيروا بمهمة مخططة مسبقا تغطي مئات الفدان في دقائق، وتُبث الصور الناتجة عن ذلك في خرائط متحركة، وتُلقي مؤشرات على مبيدات الآفات (NDVI، NDRE) الضوء على مناطق الإجهاد التي تُجرى فيها.

Yield Estimation and Harvest Logistics

ومع نضج المحاصيل، يمكن للاستشعار عن بعد أن يوفر توقعات دقيقة للمحاصيل، إذ أن من خلال ربط الأرقام القياسية للطيف ببيانات الغلة التاريخية، يمكن أن تُتوقع نماذج التعلم الآلاتي غلة قابلة للحصان بنسبة 85-95 في المائة من الدقة، وهذه المعلومات حاسمة بالنسبة للنقل والتخزين والعمل في مجال التخطيط اللوجستي، ويجمع بعضها الآن على استخدام نماذج للاحتجاز تُغل خرائط (من مرصد الغلة) مع صور ساتلية سابقة للصيد، لتحديد الفوارق بين المتوقّع.

إدارة الري

ويمكن للاستشعار عن بعد الحراري والمتعدد الأطياف أن يكشف عن الإجهاد المائي للمحاصيل قبل حدوث الاصطدامات المرئية، وباستخدام هذه البيانات، تطبق نظم الري ذات المعدلات المتغيرة (الثعاب المركزية التي لها سيطرة على النظام العالمي لتحديد المواقع) كميات مختلفة من المياه في مناطق مختلفة من الميدان، مثل المناطق الرملية التي تتلقى مياها بسرعة أكبر من المناطق الغنية بالجزر، ويمكن أن يؤدي هذا النهج إلى تحقيق وفورات في المياه تتراوح بين 20 و50 في المائة مع الحفاظ على المحاصيل أو تحسينها.

المزايا القابلة للقياس من أجهزة الاستشعار عن بعد

ويسفر إدماج الاستشعار عن بعد في الأجهزة الزراعية عن تحسينات قابلة للقياس الكمي عبر الأبعاد الاقتصادية والبيئية والتشغيلية.

زيادة الكفاءة التشغيلية

وتقضي الآلات وقتا أقل وتغطية أقل عند الاسترشاد بالخرائط الوصفية، حيث يؤدي عدم التداخل في الرش والبذور إلى خفض استهلاك الوقود مباشرة والارتداء على المعدات، وقد خلصت دراسة أجرتها جامعة نبراسكا إلى أن التوجيه الآلي يقلل من التداخل من 5 إلى 10 في المائة إلى الصفر تقريبا، مما يوفر حوالي 5 في المائة من تكاليف الوقود وحدها، كما أن الاستشعار عن بعد يقلل من الحاجة إلى الفرز اليدوي، وتحرير العمل لمهام أخرى.

الوفورات في التكاليف وتحقيق الاستخدام الأمثل للمدخلات

ويقلل معدل الاستخدام المتغير للنيتروجين عادة من مجموع الاستخدام غير المستعمل بنسبة تتراوح بين 15 و30 في المائة دون التضحية بالأرباح، ويترجم إلى مئات الدولارات التي تم توفيرها لكل هكتار، وبالمثل، يمكن أن يؤدي تطبيق مبيدات الآفات المستهدفة إلى خفض التكاليف الكيميائية بنسبة 30 إلى 60 في المائة، ويمكن استرداد عائد الاستثمار في آلة تصوير بدون طيار ومتعدد الأطياف في موسم واحد للمزارع التي تزيد على 500 فدان.

تحسين كروب يلد ونوعية

ومن خلال تحديد المسائل التي كانت تعاني من نقص في المغذيات في وقت سابق، وتفشي الآفات، يمكن للمزارعين الذين يعانون من الإجهاد المائي أن يتدخلوا في الوقت المناسب، وكثيرا ما يؤدي التدخل المبكر إلى محاصيل أكثر صحة وثروات أعلى. وقد أظهرت تقارير الوكالة أن المزارعين يستخدمون أدوات زراعية دقيقة، بما في ذلك الاستشعار عن بعد، يرون زيادات في غلة تتراوح بين ٥ و١٥ في المائة في المتوسط، وبالإضافة إلى ذلك تحسن نوعية الحبوب بسبب استخدام المدخلات الموحدة يقلل من التباين في محتوى البروتين وحجم الحبوب.

الاستدامة البيئية

ويؤدي استخدام الزراعة الدقيقة التي يقودها الاستشعار عن بعد إلى التقليل من الآثار البيئية للزراعة، كما أن انخفاض معدل الخصوبة في أجساد المياه يقلل من حجم الطحالب، ويحافظ أحجام مبيدات الآفات المنخفضة على الحشرات والملوثات المفيدة، ويحافظ الري على الموارد المائية على النحو الأمثل، كما يحدث انخفاض في انبعاثات غازات الدفيئة بسبب انخفاض استهلاك الوقود واستخدام النيتروجين على نحو أكثر كفاءة (وهذا يقلص من انبعاثات أكسيد النيتروز).

صنع القرار

ويولد الاستشعار عن بعد طبقات من خرائط التربة والبيانات، ومؤشرات الغطاء النباتي، ونماذج الارتفاع التي يمكن تحليلها على مدى موسم متعددة باستخدام برامجيات إدارة المزارع، مما يتيح للمزارعين تحديد اتجاهات العائدات الطويلة الأجل، واختبار الممارسات الجديدة مع إجراء تجارب جرد مستنسخة، وإجراء تعديلات على عملياتهم استنادا إلى الأدلة، وقد يكون هذا التحول من رد الفعل إلى الإدارة الاستباقية هو أكثر الفوائد شيوعا.

التحديات والحدود المتعلقة بالاستشعار عن بعد في الآلات

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن اعتماد واستخدام تكنولوجيات الاستشعار عن بعد في الآلات الزراعية استخداما فعالا ليس بدون عقبات.

التكاليف الأولية المرتفعة

وفي حين أن التكاليف قد انخفضت، فإن اقتناء الطائرات بدون طيار، والمجسات، ونظم مراقبة الآلات المتوافقة لا تزال تتطلب رأس مال كبير، وقد تكافح المزارع الصغيرة والمتوسطة الحجم مع الاستثمار، بل إن خدمات التصوير بالسواتل السحابية تحمل رسوم الاشتراك، وتضيف برامج التحليل المتقدمة تكاليف أخرى، وتبرز نماذج التسلية والتعاونيات ولكنها لم تُنتشر بعد.

الخبرة التقنية وعبء البيانات

وتتطلب بيانات الاستشعار عن بعد بواسطة الفرو معالجة وتفسير، ويجب أن تكون الصور المتعددة الأطياف معايرة، وأن تتحول إلى خرائط وصفات قابلة للتنفيذ، ويحتاج المزارعون والزراعيون إلى تدريب في عمليات نظام المعلومات الجغرافية وعمليات الاستشعار، ويمكن أن تكون أحجام البيانات هائلة - طائرة واحدة بدون طيار أكثر من 100 هكتار يمكن أن تولد غيبات من الصور وتكامل هذه البيانات مع نظم مراقبة الماركات التجارية، وتفتقر إلى قاعدة بيانات موحدة.

أجهزة ضبط الطقس والتوقيت

وكثيرا ما تُعيق الصور الساتلية بواسطة الغيوم، لا سيما خلال فترات الربيع أو الصيف الحرجة، وحتى الطائرات بدون طيار التي تحلق تحت الغيوم، لا يمكن أن تعمل في رياح عالية أو أمطار أو ضوء منخفض، وهذا الاعتماد على التوقيت يعني أن النافذة المثالية لاقتناء الصور قد تضيع، مما يُعرّض نوعية خرائط الوصفات الطبية، كما أن أجهزة الاستشعار الحرارية تتأثر بالظروف الجوية وتتطلب معايرة.

جمع البيانات والتغير

أما الصور الساتلية في 10-30 مترا فقد تفوتها التباين داخل الحقل الذي يمكن أن تلتقطه صور الطائرات بدون طيار عالية الاستبانة (من مستوى قياس) وعلى العكس من ذلك، فإن تغطية الطائرات بدون طيار على المناطق الكبيرة تستغرق وقتا طويلا، وهناك أيضا تحد من دقة البيانات: فمؤشرات معرفة الحقيقة النباتية ترتبط بمعالم المحاصيل، ولكن التآكل لا ينجم عنه أخطاء في التفكير والظل.

الشواغل التنظيمية والمتعلقة بالخصوصية

وتخضع عمليات الطائرات بلا طيار لأنظمة الطيران (مثلاً، الجزء 107 من اتفاق الطيران الأمريكي) التي تحد من ارتفاعات الرحلات الجوية، وتحتاج إلى شهادات تجريبية، وتقييد الرحلات الجوية بالقرب من المطارات أو المناطق المأهولة بالسكان، وتنشأ أيضاً شواغل تتعلق بالخصوصية عندما يتم جمع صور جوية متكررة على الممتلكات المجاورة، ويمكن أن تبطئ عملية التبني، ولا سيما في المناطق التي توجد فيها قوانين أشد صرامة.

المستقبل: الجبهة المقبلة

وتعود عدة اتجاهات ناشئة بتعميق إدماج الاستشعار عن بعد في الأجهزة الزراعية، مما يجعل الزراعة التي تحركها البيانات أكثر سهولة وأقوى.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتستخدم منظمة العفو الدولية لتصنيف الإجهاد المحصولي بصورة تلقائية من الصور والتنبؤ بالأرباح وتوليد خرائط الوصفات الطبية دون تدخل بشري، ويمكن لنماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على آلاف الصور الميدانية أن تحدد أمراضاً معينة أو أوجه قصور في المغذيات مع خبراء منافسين للدقة، ويمكن لمجهزي أجهزة الاستنشاق أن يقوموا بتحليل بث فيديو مباشر من آلة تصوير على الرشاشات لكشف الأعشاب في الوقت الحقيقي، ولإطلاق في كل أجزاء المليمتر.

تجهيز البيانات في الوقت الحقيقي والحساب الإلكتروني

وبدلاً من إرسال بيانات الطائرات بدون طيار أو السواتل إلى السحابة اللازمة للتجهيز - التي تستحدث حاسبات للتوتر - الحوسبة تسمح للمجسات والحواسيب الموجودة على متن الجرارة أو الرش بتحليل البيانات فوراً، مما يتيح التحكم الفوري في الصوت المغلقة: فالآلة ترى منطقة ضغط وتكيف معدلات تطبيقات على الذبابة، وهذا الاتجاه سيتسارع مع زيادة قوة المجهزين على متن السفن وتحسين القدرة على الاتصال.

المركبات الزراعية المستقلة

إن بيانات الاستشعار عن بعد هي أعين الجرارات والمحاصد المستقلة، إذ يمكن للمركبات المستقلة ذاتيا، عن طريق الجمع بين نظام ليدار والكاميرات والنظام العالمي لتحديد المواقع، أن تبحر في الحقول وتتجنب العقبات وتنفذ العمليات دون وجود عامل بشري، ويقوم عدد من الصانعين باختبار جرارات مستقلة تماما من أجل الماشية والزراعة والرش، وتعتمد هذه الآلات اعتمادا كبيرا على الخرائط الميدانية التي سبق تحميلها والمستمدة من الاستشعار عن بعد والاستشعار عن بعد في الوقت الحقيقي للتكيف مع الظروف المتغيرة.

دمج الوصلات الساتلية والسواتل

إن انتشار السواتل الصغيرة )السواتل ذات المدارات الصغيرة( وأجهزة مدار منخفض الأرض يعني أن الصور اليومية ذات الاستبانة العالية ستتاح قريبا على الصعيد العالمي بتكلفة منخفضة، مع الجمع بين أجهزة الاستشعار في الحقل )أجهزة قياس الطقس، محطات الطقس(، سيكون للمزارعين تدفق مستمر للبيانات يمكن أن يغذي مباشرة في نظم مراقبة الآلات، مما سيمكن الزراعة الدقيقة من تطويرها على نطاق واسع، حتى في المناطق الزراعية الصغيرة.

تعزيز قابلية التشغيل المتبادل للبيانات

وتدفع مبادرات الصناعة مثل مؤسسة الصناعات الالكترونية الزراعية ومعايير الاتحاد الدولي لدعم المجتمعات المحلية إلى تبادل البيانات غير المتناثرة بين أجهزة الاستشعار والبرامجيات والأجهزة من مختلف الجهات المصنعة، ومع تحسن قابلية التشغيل المتبادل، سيكون بوسع المزارعين أن يخلطوا ويطابقوا المعدات والبرامجيات دون وجود قفل للبائعين، مما يعجل بالتبني.

خاتمة

إن تكنولوجيات الاستشعار عن بعد انتقلت من مختبرات البحوث إلى كابة الجرارة الحديثة، مما يغير بصورة أساسية كيفية عمل الآلات الزراعية، ومن خلال توفير معلومات مفصلة ومناسبة عن أحوال المحاصيل والتربة، فإن هذه الأدوات لا تتيح القيام بزراعة دقيقة، وتطبيقات متغيرة، وتوجيهات آلية، ولوجستيات أكثر ذكاء في مجال المحاصيل، كما أن التكاليف المتزايدة، والعائدات المرتفعة، وانخفاض الأثر البيئي، أمور لا تزال قائمة.