Клыбик В.К., кандидат технических наук, доцент, РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства».

Станкевич А.Ф., ст.преподаватель кафедры ЭМТПиА, БГАТУ

Лисковец Д.В. инженер, ОАО «Остромечево»

Аннотация

Контроль сорняков остаётся одной из ключевых проблем растениеводства: их бесконтрольное распространение способно снижать урожайность до 50%. Наиболее распространённый сегодня химический метод имеет существенные экологические издержки: устойчивость сорняков к гербицидам, загрязнение почвы и водоёмов, вред полезным организмам, эрозия почвы. В статье рассматривается технология лазерного уничтожения сорняков с помощью автономных роботизированных платформ и систем компьютерного зрения как менее инвазивная альтернатива. На основе зарубежного опыта (проекты WeLaser, Carbon Robotics) анализируются принципы работы, технические ограничения и перспективы, а также даётся авторская оценка применимости технологии для условий сельского хозяйства Беларуси.

Введение

Сорняки во всём мире остаются одним из главных факторов, сдерживающих рост урожайности и продовольственную безопасность [1]. Несмотря на успехи селекции, культурные растения по-прежнему проигрывают сорнякам в конкуренции за свет, воду и питательные вещества, а бесконтрольное распространение сорной растительности способно снижать урожайность вдвое. Из трёх основных методов борьбы с сорняками – биологического, механического и химического – наиболее распространён и эффективен химический [2]. Однако именно химический вызывает наибольшую тревогу с точки зрения экологии и устойчивого земледелия.

Одним из перспективных направлений последних лет стало применение лазерных технологий для точечного, нехимического уничтожения сорняков. В статье рассмотрены принципы этой технологии, приведены примеры её практической реализации за рубежом и дана оценка того, насколько она может быть востребована в условиях сельского хозяйства Республики Беларусь.

Основная часть

Химический метод, несмотря на свою эффективность и вклад в интенсификацию земледелия, имеет ряд серьёзных недостатков. Чрезмерное применение гербицидов повышает риск загрязнения экосистем [3], а со временем формируются устойчивые к гербицидам биотипы сорняков, что снижает эффективность обработок [4]. Часть более дешёвых и старых пестицидов способна сохраняться в почве и воде годами; многие из них запрещены в развитых странах, но продолжают применяться в развивающихся [5].

Механическое удаление сорняков также не свободно от недостатков: оно вредит полезным организмам (в частности, дождевым червям), увеличивает риск эрозии почвы и вымывания питательных веществ, а нарушение верхнего слоя почвы стимулирует прорастание новых семян сорняков. Биологический метод – использование естественных врагов сорных растений – применяется значительно реже из-за экологических рисков: популяции «природных врагов» могут разрастись быстрее контролируемых ими сорняков и сами превратиться в инвазивный вид, угрожающий уже культурным и другим дикорастущим растениям.

Совокупность этих ограничений формирует запрос на более устойчивые и точечные методы контроля сорняков – и именно в этом контексте лазерная технология рассматривается как перспективная альтернатива или дополнение к существующим подходам.

Лазерное излучение обладает рядом свойств, которые делают его удобным инструментом точечного воздействия: когерентность, монохроматичность, направленность и высокая интенсивность. В отличие от обычного света, лазерный луч слабо рассеивается на расстоянии, что позволяет концентрировать значительную энергию на очень малой площади.

Для борьбы с сорняками применяются преимущественно три типа лазеров: углекислотный CO2-лазер (длина волны около 10 600 нм), диодный лазер и оптоволоконный лазер. Энергия CO2- и оптоволоконных лазеров сильно поглощается тканями растения, что вызывает летальное повреждение; при этом лазер с добавлением тулия (длина волны около 2 мкм) считается предпочтительным для прополки, поскольку его излучение проникает через эпидермис растения, а не поглощается исключительно на поверхности. Важной технической характеристикой лазерной системы является параметр качества пучка (BPP): чем он ниже, тем меньше рассеяние луча и тем точнее можно направить энергию на цель [6]. Оптоволоконные лазеры выигрывают у CO2- и диодных систем именно по этому параметру, а также по простоте обслуживания – передача излучения ведётся по стекловолоконному кабелю без необходимости в зеркальных системах.

Сам процесс прополки выглядит следующим образом: видеокамера передаёт изображение участка поля на бортовой компьютер, алгоритмы компьютерного зрения на основе глубокого обучения отличают культурные растения от сорняков, определяют координаты точки роста (меристемы) сорняка, после чего система наведения направляет туда лазерный импульс. Наилучший эффект достигается на ранних стадиях развития сорняка – семядольной или стадии двух настоящих листьев, – поскольку в этот период у растения ещё не сформированы боковые меристемы и оно не способно быстро восстановиться после повреждения. Благодаря малому диаметру луча и возможности точного наведения лазер способен работать в непосредственной близости от культурного растения, не повреждая его корневую систему и листья – в отличие от механической прополки.

Технология лазерной прополки пока находится на ранней стадии коммерциализации, однако уже есть работающие прототипы. Европейский проект WeLaser (Центр автоматизации и робототехники, совместный центр Испанского национального исследовательского совета CSIC и Мадридского политехнического университета) разработал автономного гусеничного робота CEOL, оснащённого тулиевым оптоволоконным лазером мощностью 250 Вт на каждый излучатель [8]. Система восприятия робота построена на RGB- и ToF-камерах и алгоритмах компьютерного зрения, которые в два этапа сначала отличают культуру от сорняков, а затем определяют положение меристем. Платформа способна двигаться со скоростью до 6 км/ч с точностью позиционирования ±0,015 м благодаря GPS-навигации в режиме RTK, а вся архитектура построена на модульной системе управления с обменом данными через облако и сеть IoT-датчиков [9].

Более мощный вариант предложила американская компания Carbon Robotics: четырёхколёсный робот массой 4300 кг развивает скорость до 8 км/ч и способен работать в полностью автономном режиме, в том числе ночью. Двенадцать камер высокого разрешения и восемь графических процессоров обрабатывают изображения поля в реальном времени, а обнаруженные сорняки уничтожаются восемью инфракрасными CO2-лазерами мощностью 150 Вт каждый. Энергию для работы всех систем и передвижения обеспечивает дизельный двигатель мощностью 74 л.с.

Оба примера показывают общую логику технологии: сочетание компьютерного зрения, автономной навигации и точечного лазерного воздействия позволяет резко сократить площадь прямого физического вмешательства в почву и растительный покров по сравнению с гербицидной обработкой или механической прополкой – по некоторым оценкам, с почти 100% обрабатываемой площади до менее чем 1% [7]. Массового коммерческого распространения технология пока не получила, а её стоимость остаётся высокой, но ожидается, что при масштабировании производства цена будет снижаться.

Опыта прямого применения лазерной прополки на базе зарубежных образцов в условиях Беларуси пока нет, поэтому ниже приведена предварительная авторская оценка – на основе структуры посевных площадей и агротехнических особенностей республики.

Наиболее перспективными культурами для пилотного внедрения выглядят широкорядные пропашные культуры: картофель, сахарная свёкла, кукуруза, капуста и овощные культуры. У них достаточное расстояние между рядами для прохода автономной платформы, а на ранних стадиях вегетации именно эти культуры наиболее уязвимы перед сорняками и одновременно имеют высокую товарную ценность, что оправдывает более высокую стоимость обработки по сравнению с гербицидами. Напротив, для льна-долгунца – культуры со сплошным узкорядным севом – применение точечной лазерной прополки в её нынешнем виде затруднено: высокая плотность стеблестоя и отсутствие чётких междурядий усложняют как навигацию робота, так и селективное распознавание отдельных сорняков между растениями культуры.

Дополнительный довод в пользу технологии – совместимость с возобновляемой энергетикой: рост в Беларуси генерации на основе ветра и солнца, а также опыт эксплуатации аккумуляторных сельскохозяйственных машин делают энергетическую часть решения реалистичной уже сегодня, без прямой привязки к ископаемому топливу.

Отдельная ниша – органическое (экологическое) земледелие, доля которого в республике пока невелика, но постепенно растёт. Для таких хозяйств пестициды запрещены сертификационными требованиями, поэтому единственной доступной сегодня альтернативой остаётся трудоёмкая немеханизированная и механическая прополка – со всеми её недостатками, описанными выше. Лазерная технология в этом смысле – не третий вариант того же типа, а принципиально иной подход: она не требует физического контакта рабочего органа с почвой и не нарушает её структуру, а значит не создаёт условий для нового прорастания семян.

Среди сдерживающих факторов стоит выделить состояние полей: неровности рельефа, камни, следы колеи от техники – распространённая ситуация на части мелиорированных земель – способны снижать точность наведения лазера и повышать риск повреждения культурных растений при вибрации платформы. Холодный климат также накладывает ограничения на автономность аккумуляторных систем в осенне-весенний период. Наконец, в республике пока нет ни собственных разработок в этой области, ни опыта локальной адаптации зарубежных платформ.

Разумным стартовым шагом может стать проведение пилотного испытания одной из зарубежных систем – полностью или в виде адаптированных модулей (компьютерного зрения, лазерного блока) – на ограниченном участке пропашной культуры, например сахарной свёклы, в сотрудничестве с профильными научно-исследовательскими учреждениями. Параллельно целесообразно инициировать собственные экспериментальные исследования, направленные на оценку применимости технологии в местных агроклиматических условиях. Совмещение внешнего пилота и самостоятельных испытаний позволит получить первичные количественные данные по энергопотреблению, скорости обработки и точности распознавания сорняков, что создаст обоснованную базу для последующего масштабирования.

Заключение

Лазерная прополка – технология, ещё не вышедшая на стадию массового коммерческого применения, но уже показавшая свою техническую состоятельность в пилотных проектах за рубежом. Её главное преимущество – резкое сокращение площади прямого физического воздействия на почву и посевы по сравнению с гербицидами и механической прополкой, а значит, и меньшее давление на биоразнообразие, структуру почвы и здоровье человека. Одновременно у технологии есть ограничения: зависимость точности от ровности поля, необходимость медленного и тщательного движения платформы, высокая пока стоимость оборудования и отсутствие достаточной базы исследований по многим сельскохозяйственным культурам.

Для Беларуси наиболее реалистичный путь – не немедленное масштабное внедрение, а точечный пилотный проект на одной из пропашных культур с участием профильных научных учреждений. Такой проект позволил бы оценить экономическую и агротехническую целесообразность технологии в местных условиях и, при удачном результате, стать основой для дальнейших исследований и, возможно, привлечения финансирования в это направление.

Список использованных источников

1. Food and Agriculture Organization of the United Nations [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.fao.org/biodiversity/ru. – Дата доступа: 14.08.2026.

2. Станкевич, А.Ф. Применение лазерной установки при уходе за сельскохозяйственными культурами / А.Ф. Станкевич, Н.С. Чирков // Техническое обеспечение инновационных технологий в сельском хозяйстве: сб. науч. ст. Междунар. науч.-практ. конф., Минск, 23–24 нояб. 2023 г. / редкол.: В.П. Чеботарев [и др.]. – Минск: БГАТУ, 2023. – С. 277–279.

3. Herbicides – a two-edged sword [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1046/j.1365-3180.2003.00328.x. – Дата доступа: 14.08.2026.

4. Иванов, С. Устойчивость сорняков к гербицидам и пути ее преодоления / С. Иванов // Агроснабфорум. – 2016. – № 2. – С. 49–51.

5. Остатки пестицидов в продуктах питания [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/pesticide-residues-in-food. – Дата доступа: 14.08.2026.

6. Beam Parameter Product (BPP) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.laser-portal.ru/content_1005. – Дата доступа: 15.08.2024.

7. Laser Weeding With Small Autonomous Vehicles: Friends or Foes? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.frontiersin.org/journals/agronomy/articles/10.3389/fagro.2022.841086/full. – Дата доступа: 15.08.2026.

8. WeLaser technology on display at Dutch Precision Days [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.futurefarming.com/crop-solutions/weed-pest-control/welaser-technology-on-display-at-dutch-precision-days/. – Дата доступа: 15.08.2026.

9. Exploiting the Internet Resources for Autonomous Robots in Agriculture [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.mdpi.com/2077-0472/13/5/1005. – Дата доступа: 15.08.2026.