Na rozmachu precizního zemědělství se rozhodující měrou podílejí data z vesmíru, družicové navigační a pozorovací systémy. Družicové snímky Sentinel a navigační systémy Galileo a EGNOS jsou zdrojem dat pro matematické výpočty, které dokážou výrazně optimalizovat produkci plodin, ušetřit palivo zemědělských strojů při pojezdu na poli a díky přesnému dávkování také hnojiva a postřiky. Podle Ondřeje Švába, vedoucího oddělení Kosmických technologií a aplikací na ministerstvu dopravy, je takzvané precizní zemědělství přínosné v tom, že může nejen uspořit náklady na péči o plodiny na poli, ale zároveň i minimalizovat škody, protože umí upozornit na řady problémů v jejich raných fázích. Zemědělec tak může včas adekvátně zasáhnout a ochránit úrodu.
Pro pochopení toho, jak precizní zemědělství funguje, se budeme muset nejdříve vydat na oběžnou dráhu. Můžeme tedy začít se systémem Galileo? Galileo je globální družicový polohový systém Evropské unie, na jehož výstavbě se významnou měrou podílela Evropská kosmická agentura (ESA). První z družic tohoto systému vynesla na oběžnou dráhu nosná raketa Sojuz již v roce 2011. Nyní je na orbitě už 28 družic, které umožňují plnou funkčnost navigačního systému Galileo. Ten dnes dokáže nabízet takzvanou otevřenou službu, tedy službu, kterou je každý schopen přijímat například na svém mobilním telefonu (disponuje- li váš telefon příslušným přijímačem), nebo na přijímači družicové navigace třeba právě pro přesné zemědělství. Obdobné navigační služby nabízí i americký systém GPS, ruský Glonass a čínský BeiDou. Znamená to, že nám nad hlavami na různých oběžných drahách krouží už zhruba 120 družic využitelných pro určování polohy. Kromě otevřené služby disponuje Galileo i dalšími službami, například Služba pátrání a záchrany (Search & Rescue) nebo Veřejně regulovaná služba (PRS — Public Regulated Service), která je určena pro armádu a bezpečnostní složky států. Ve vývoji je také služba vysoké přesnosti (High Precision), která bude velmi zajímavá i pro zemědělce.
V čem konkrétně? Už dnes se lze měřeními z oběžné dráhy při současném využití pozemních korekčních systémů dostat až k přesnostem v řádu jednotek centimetrů. Úplně nejpřesnější měření se pohybují v řádech milimetrů, ale tam už hraje roli i postprocesní zpracování dat s využitím specifických služeb Rinex pro geodety. Služba High Precision by měla měření ještě více zpřesnit a pro mnohé na vyšší přesnost citlivé aplikace bude plně dostačující, nicméně pro řád centimetrů bude stále potřeba korekcí z pozemních systémů. Vysoká přesnost určení polohy je v zemědělství nesmírně důležitá. Když máte pole, které je dlouhé 200 m a zůstane vám při sklizni na každém přejezdu u okraje půl metru nesklizené pšenice, tak to na jedné obrátce dělá nesklizených 100 m2 a v součtu tedy nižší výnos. Zemědělci se totiž většinou nevyplatí kombajn otočit a přejet zase celé pole zpět, aby ten půl metr dodatečně sklidil, protože při cestě spálí další naftu, amortizuje stroj, a navíc každý přejezd přes pole půdu zhutňuje. S pomocí přesné navigace, obvykle s využitím služby Real Time Kinematic (RTK), dokážou stroje obhospodařit pole tak, že po okrajích nezůstanou nesklizené plodiny. Stejný princip samozřejmě platí také při setí a následné péči o plodiny. U postřiků by totiž nemělo docházet k překryvům zvyšujícím náklady či nedokryvům způsobujícím, že části pole nejsou ošetřeny vůbec.
Jak se vlastně z vesmíru zaměřuje poloha na Zemi? Měření lze dělat dvojím způsobem. Mobilní telefony a méně přesné přijímače fungují na principu kódového měření, které si lze zjednodušeně představit jako „stopky“, přičemž se měří, za jak dlouho doputuje signál z družice do přijímače. Vzhledem k rychlosti světla, kterou se navigační signál šíří, jde o stopky velmi přesné. Chyba jedné nanosekundy by znamenala chybu ve vzdálenosti 300 m! Proto jsou uvnitř družic atomové hodiny zajišťující, že každá družice se drží velmi přesné časové škály celého navigačního systému. Problém nastává ve chvíli, kdy je stejně přesného času potřeba dosáhnout i v přijímači, což se vzhledem k absenci atomových hodin v přijímačích překonává prostřednictvím korelačních funkcí. Po dosažení synchronizace pak stačí odečíst čas odchodu signálu z družice a jeho příchodu do přijímače a vynásobit rychlostí světla, čímž získáme (pseudo)vzdálenost mezi družicí a přijímačem. Druhý způsob je daleko přesnější a říká se mu fázové měření. Přijímač s opravdu stabilním fázovým centrem umí změřit, ve které fázi k němu vlna signálu dorazí. Je tedy třeba určit počet celých vlnových délek mezi družicí a přijímačem a změřit, v jaké fázi přijde do přijímače poslední vlna, tzv. doměrek. Protože měření fáze je mnohem přesnější než výše vedená synchronizace hodin mezi družicí a přijímačem, je přesnější i celé měření. Výsledkem těchto výpočtů je pak takzvaná pseudovzdálenost, která musí ještě projít započtením korekcí, protože přesnost takového měření ovlivňuje celá škála faktorů, jako je vliv ionosféry, nepřesnosti plynoucí z (přirozené) nepřesnosti určení polohy konkrétní družice na dráze v daný okamžik a mnohé další. Z důvodu průchodu signálu až 2,5× silnější vrstvou atmosféry oproti zenitu se k měření nevyužívají satelity, které jsou zhruba 15 stupňů nad obzorem a níže. Pracuje se jen s těmi, které jsou výše, ať už jsou z jakéhokoliv polohového systému.
Zmínil jste, že na Zemi signál dorazí ovlivněn mnoha faktory. Co tedy může na přesnost měření působit? Jedním z faktorů je právě samotná poloha družice na dráze. Ve chvíli, kdy je třeba určit polohu na Zemi, tak je třeba znát s vysokou přesností i to, kde se přesně družice na oběžné dráze nachází. Těmto údajům se říká efemeridy a samozřejmě jsou známé. Nicméně u družic dochází v čase k drobným posunům vlivem nehomogenit v gravitačním poli Země, a proto je třeba její vzdálenost a polohu pravidelně přeměřovat a upravit podle toho efemeridy, které se následně propisují do takzvaného almanachu, tedy souboru informací vysílaných navigační družicí k Zemi. Na základě těchto dat pak totiž přijímač počítá svou polohu na zemi. Upřesňování polohy na dráze ale není kontinuální, probíhá po časových skocích, takže ve chvíli, kdy je třeba určovat polohu na Zemi s přesností na centimetry, třeba pro využití v zemědělství, musíme už zapojit korekční systém. Dalším problémem, který si vynucuje korekci, je již zmiňovaná cesta signálu ionosférou. Ta obsahuje částice s nábojem a rádiové vlny se v ní ohýbají obdobně jako světlo ve vodě. To znamená, že neměříme přesnou vzdálenost mezi přijímačem a družicí, ale právě onu pseudovzdálenost, která je pokřivena ionosférou. Přesnost ovlivňují také refrakční faktory, které dále ohýbají signál v troposféře, a nesmíme zapomenout ani na stabilitu fázového centra antény. Na zemi je také třeba pracovat s vícecestným šířením signálu. Představte si, že máte přijímač na ulici ve městě a signál, který jde z družice nad vámi, dopadá na veškeré okolí, tedy i na budovy. Od jejich stěn se odrazí a následně letí do přijímače. Je tedy třeba umět rozlišit, který signál jde nejkratší cestou přímo z družice, a je tedy tím správným, podle nějž má přijímač počítat, a které má naopak vyřadit, aby nedocházelo k nepřesnostem.
Pojďme si říci také něco o tom, jak se signál zpracovává v korekčních systémech, protože právě tato korekce je pro precizní zemědělství klíčová. Ano, je. Bez ní by totiž nebyla přesnost určení polohy nikdy tak vysoká a precizní zemědělství by nebylo tak precizním. Princip je vlastně velmi jednoduchý. Jde o měření odchylky v režimu známá (poloha) minus naměřená (přijímačem). K získání informace o chybách měření se využívají vysoce přesné přijímače, které jsou umístěny na bodě s přesně určenou polohou prostřednictvím geodetického měření. K takovému měření se používají antény relativně srovnatelné s těmi, jaké má zemědělec na svém traktoru, byť samozřejmě s lepšími parametry. Přijímač neustále přijímá z jednotlivých systémů signál a posílá jej k výpočtu polohy. V ČR je těchto referenčních bodů několik desítek, přičemž každý z nich patří do korekční sítě nějakého provozovatele. Jednu z těchto sítí, CZEPOS, provozuje Zeměměřický úřad, další jsou pak v soukromých rukou. Ve chvíli, kdy máte k dispozici síť z takovýchto bodů, můžete následně určovat korekci, která je založena na odečtu přijímačem naměřené polohy od té určené geodeticky. Takto určený opravný vektor vstupuje do výpočtu polohy přijímačem v terénu, aby poloha co nejvíce odpovídala skutečnosti. Výpočty probíhají neustále, v reálném čase (služba RTK). Uvedené korekce jsou pak od provozovatelů referenčních stanic nabízena zákazníkům, včetně zemědělců. Přijímače umějí zapracovat korekce automaticky, zemědělec na svém stroji už tedy pracuje s polohou vzešlou z měření se započtením korekcí, tedy s nejlepším dostupným určením polohy.
Další informace, které jsou nutné pro precizní zemědělství, chodí se satelitů Sentinel. Jaká je jejich role? Aby mohl zemědělec své pole správně obhospodařovat, musí jej dokonale znát. To znamená, že musí vědět nejen o každé překážce v podobě remízků či sloupů vysokého napětí, kterým je třeba se při pojezdu techniky vyhnout (důležité pro určení nejkratší trasy stroje). Musí také znát topografii pole, oblasti s erozí, i jaké plodiny v jakých místech hůře či lépe rostou, kde je půda vlhčí či úrodnější a podobně. Mnoho těchto informací má k dispozici i bez kosmických technologií, systém družic Sentinel, zejména Sentinel 1 a Sentinel 2, mu však může prostřednictvím detailních snímků dát také důležité informace o proměnlivých jevech, jako je stav plodin, tedy fáze jejich růstu i informace o stresech, které se na nich projevují. Informace ze Sentinelů pomáhají nejen k přesnému a efektivnímu hospodaření, ale i k prevenci a preventivním zákrokům, které mohou také pozitivně ovlivnit výnos. V neposlední řadě lze prostřednictví dat ze Sentinelů klasifikovat, na kterém poli se pěstují jaké plodiny. O svých polích má zemědělec samozřejmě přehled, ale vznikají i služby, které na základě statistických dat z většího území mohou pomoci například s cenotvorbou, podle toho, kdy a jaké množství plodiny by se mělo urodit, případně v jaké kvalitě. Včasným příchodem na trh (pokud je plodina zralá) lze zvýšit finanční výnos z jejich pěstování.
Jak Sentinely povrch země vlastně snímají? Každý z typů Sentinelů je na oběžné dráze dvakrát, a to s fázovým posunem o 180°. Samotná družice prolétne nad stejným místem na Zemi jednou za 10 dní, při dvou družicích tak dochází ke snímání jednou za 5 dní (na rovníku), s vyššími zeměpisnými šířkami se časové rozlišení zvyšuje. Sentinel 2 snímá zemský povrch od 56° jižní šířky po 84° severní šířky, přičemž snímkování probíhá ve 13 spektrálních pásmech v oblastech zejména viditelné a blízké infračervené části spektra, která je vhodná pro monitoring vegetace. Čtyři kanály mají prostorové rozlišení 10 m na pixel, šest kanálů rozlišení 20 m a tři kanály rozlišení 60 m. Šířka záběru snímání je pak úctyhodných 290 km. Platí, že každý jeden pixel je novou informací, je vlastně diskrétní veličinou. Každý jev se totiž projevuje svým specifickým způsobem, otiskem v měřeném spektru, a když máte zmapováno, jak se který jev odráží v určitých vlnových délkách, dá se poměrně jednoduše rozklíčovat reálný stav rostliny. Výsledkem takto detailního snímání a matematických výpočtů jsou pak takzvané vegetační indexy, jichž je celá řada, a slouží nejen pro odlišení vegetace od ostatních povrchů, ale i pro odlišení (klasifikaci) jednotlivých druhů rostlin, jejich fáze růstu i zdravotního stavu. Lze jimi také zjistit například obsah chlorofylu či vody v listech, zavlhčení půdy, fázi rašení listů a podobně. V mnoha případech však jeden pixel pokrývá třeba rozhraní různých povrchů či se do něj promítá projev plodiny a meziplodiny, což je i důvod, proč se jim říká mixely. K rozlišení toho, co na snímku tedy skutečně je, se pak používají další analytické nástroje (unmixing). Pro finální vizualizaci se snímky zobrazují v nepravých barvách nebo přímo ve škále zobrazující přítomnost či intenzitu konkrétního jevu. Družice tedy pořídí snímky a odešle je na zem. Kam přesně jdou a co se s nimi následně děje? Snímky putují do přijímacího centra, které je vstupní branou do pozemního segmentu. V případě Sentinelů 1 a 2 zajišťuje pozemní segment pro Evropskou komisi ESA, která je jejich vlastníkem. Ta jej z části kontraktuje u soukromých firem. V pozemním segmentu se počítají základní korekce snímku o vlivy atmosféry či terénu, surová data se tedy zpracovávají do takzvaných „produktů“, byť ještě nejde o koncovou informaci, výstup konkrétní analýzy. Jde o stupeň předzpracování dat. Třeba pro atmosférickou korekci slouží kalibrační snímky, které družice dělá jiným senzorem (v případě Sentinelu 2 jde o zmiňované snímky s rozlišením 60 m/px). Produkty jsou distribuované do úložišť a následně k uživatelům. Kromě centrálních úložišť se některé státy rozhodly zřídit tzv. spolupracující pozemní segment Sentinel, což je zjednodušeně řečeno zrcadlové datové úložiště družicových snímků Sentinel. Zřízení Spolupracujícího pozemního segmentu Sentinel pokrývající území ČR a blízkého okolí vyjednalo u ESA Ministerstvo dopravy, jež za účast ČR v ESA odpovídá. Provozovatelem úložiště je CESNET, který jej hostí na své infrastruktuře, a data poskytuje nejen univerzitám, ty s nimi běžně pracují v rámci své akademické činnosti, ale i komerčním subjektům. Tyto firmy si tedy nemusejí budovat vlastní datová úložiště. Obrovskou výhodou také je, že snímky ze Sentinelů nejsou zpoplatněné. Zdarma jsou k užití pro jakékoliv účely, že zákazník tedy neplatí v ceně služby cenu dat, což převratným způsobem otevřelo trh a tím i cestu k většímu využití precizního zemědělství. Dokud byly snímky zpoplatněné, bylo velmi obtížné nabízet produkty, které by se vyplatily i menším zemědělcům.
Dají se pro zpracování dat a snímků využívat prvky umělé inteligence? Když budete chtít jednoduchou odpověď, tak řeknu, že ano, částečně dají. Ale má to několik poměrně velkých háčků. První věc je, že umělá inteligence je svým způsobem black box. Nějak funguje, ale základem je, aby měl stroj algoritmus velmi dobře naučený. Jenomže zemědělství je specifické v tom, že je proměnlivé v čase a každý rok je trochu jiný, takže je třeba mít k dispozici velmi dlouhou časovou řadu, z níž se dají dělat nějaké smysluplné výsledky. Umělou inteligenci, či spíše strojové učení, lze dnes velice dobře použít např. na rozpoznávání tvarů, jejím prostřednictvím se také dělají některé ekonomické indexy a odhady úrody. Také ji lze používat k automatickému určení plodiny, tam se v současnosti pohybujeme kolem spolehlivosti 80—85 % (v závislosti na plodině), u některých plodin je to až 90 %. Jenže to stále znamená, že z každých 10 km2 je 1 km2 určený špatně, což je pro zákazníka problém. Proto je u zpracovávání stále potřeba živého člověka, operátora, který dokáže ohlídat proměnlivost parametrů a také s touto proměnlivostí pracovat. Řekl bych, že ten, komu se podaří data začít zpracovávat tak, aby byla vysoká míra souladu výstupů se skutečností v terénu bez zásahu člověka, objeví svatý grál pozorování Země.
Touto spletitou cestou jsme se dostali až bodu, kterým je zemědělec, jenž chce hospodařit precizně. Jak se k němu všechny tyto informace přenesou v podobě, s níž bude moci vyjet na pole? Pro zemědělce je výstup takový, že od firmy, která se zabývá dodáváním řešení pro přesné zemědělství, pořídí speciální software a přijímač signálu družicové navigace. Vše funguje obvykle modulárně, lze zvolit různě rozsáhlá a robustní řešení. V programu má k dispozici detailní mapy a také může doplnit celou řadu důležitých vstupních informací o poli, např. typ půdy, označit místa specifických vlastností, navíc v něm lze pracovat a zadávat různé parametry, jako jsou třeba druh plodiny či typ hnojiva pro výpočet optimálního dávkování. Software dokáže například vypočítat i ideální trasu pohybu po poli, aby stroj dokázal obhospodařit celou plochu, a zároveň udělal co nejméně přejezdů. Když to tedy celé shrneme, tak údaje ze Sentinelu dávají tematickou informaci o stavu území a plodin, na jejímž základě se vypočítá, co konkrétně má stroj dělat a v jakém místě (např. jak intenzivně má aplikovat hnojivo či postřik). A systém družic Galileo zase dodává informaci o aktuální poloze. Do přijímače, kterým se osadí zemědělský stroj, se pak exportují údaje o trase a úkonu, který má stroj na jakých souřadnicích udělat. Zemědělec pak vyjede na pole, stroj se drží přesně vytyčené trasy a pracuje tak, jak má předem definováno.
Pojďme se na závěr ještě vrátit z pole do vesmíru. Jak to vlastně vypadá na oběžných drahách, je tam už hodně těsno? Záleží na konkrétních oběžných drahách, na některý už poměrně těsno je. Ty čtyři polohové systémy, tedy Galileo, GPS a Glonass a BeiDou neobíhají na stejných oběžných drahách, každý systém má svou, a ještě v jiné výšce, přičemž rozdíly jsou ve stovkách až tisících kilometrech, takže se satelity nemohou navzájem srazit. Navíc střední oběžné dráhy, po kterých se pohybují, nejsou příliš využívány, nehrozí tam tedy ani velké riziko srážky s jinými objekty. Nejvyužívanější jsou nízké oběžné dráhy, kde je proto situace o dost složitější. Tyto dráhy totiž využívá mnoho různých systémů. Aktuálně se v Evropě začíná hovořit o potřebě řízení provozu na těchto orbitách. Slabým místem je také geostacionární dráha nad rovníkem, kde jsou meteorologické a komunikační satelity v nebývale hojném počtu. Tam je proto velmi důležité řídit „provoz“, aby nedocházelo ke kolizím a interferencím. Toto řízení spadá pod Mezinárodní telekomunikační unii a ta také polohu každého satelitu na geostacionární orbitě registruje.
Co se děje s družicemi, které doslouží? Spadnou do atmosféry, nebo zůstávají ve vesmíru v podobě kosmického odpadu? Když družice na geostacionární dráze doslouží, odklání se na takzvanou „hřbitovní dráhu“, kde zůstane a bude tam již nefunkční dále obíhat Zemi. A přesně jak jste naznačila, stává se z ní onen vesmírný odpad. Ideálním řešením by samozřejmě bylo navedení satelitu do atmosféry, v níž by shořel. Jenomže k tomu se teprve musíme dopracovat a je to běh na dlouhou trať. Protože aby bylo možné navést družici do atmosféry, je potřeba snížit její dráhu, k čemuž je nutný zážeh motorů. Už při startu ze Země by se tedy muselo počítat s tím, že si musí satelit poměrně velké množství paliva ponechat na svůj „řízený sestup do atmosféry“ z výšky 36 tisíc km, pokud bychom hovořili o geostacionární dráze. Jenomže toto palivo také může prodloužit družici životnost a žádný vlastník tak nemusí příliš složitě počítat, co se mu vyplatí více. Nicméně třeba ESA už se cestou deorbitingu vydala a v rámci vesmírných misí si po sobě chce začít uklízet. Jde ale zatím jen o „kapku v moři“. Trendem je nyní spíše další obsazování orbit takzvanými megakonstelacemi o stovkách telekomunikačních satelitů, kde se zatím ještě deorbiting nevyužívá. /Kristina Kadlas Blümelová/
