Campo da invenção

[001] Refere-se a presente invenção ao controle de pragas que afetam as lavouras e, mais especificamente, à detecção de insetos e animais por meio de radar.

Antecedentes da invenção

[002] Os insetos constituem a classe mais diversificada e mais numerosa do filo dos artrópodes, já tendo sido descritas aproximadamente 1 milhão de espécies. Os insetos são os únicos invertebrados dotados de asas com capacidade de vôo autônomo, que utilizam para realizar atividades essenciais tais como buscar refúgios e alimentos, localizar plantas hospedeiras, evitar predadores, encontrar parceiros, procurar locais para deposição de ovos e migração de longa distância. Muitos bilhões de insetos migram anualmente, com consequências economias consideráveis, tais como danos às plantações, disseminação de doenças em plantas, bem como em seres humanos e no gado.

[003] Como a maioria das espécies de insetos migratórios são noturnos, voam centenas de metros acima do solo e são muito pequenos para observação de movimento e rastreamento individual, o conhecimento das migrações de insetos é precário quando comparado com o dos vertebrados gais como aves, morcegos e mamíferos terrestres ou marinhos.

[004] Tradicionalmente, o monitoramento de insetos é realizado através de trabalho de campo, onde uma ou mais pessoas percorrem as lavouras e observam a presença de insetos. Esse trabalho é feito por amostragem, ou seja, apenas uma parcela da lavoura é vistoriada. Além disso, tal monitoramento é predominantemente feito durante o dia, de forma descontínua, ou seja, com intervalos semanais.

[005] Para facilitar esse monitoramento existem recursos tais como o uso de feromônios sexuais ou alimentares que são periodicamente colocados em armadilhas para atração de determinadas espécies de insetos, como forma de identificar presença das pragas específicas em determinados locais. Outros insetos podem ser identificados através do uso de adesivos com cores atrativas.

[006] Todavia, tais métodos requerem uma considerável quantidade de mão de obra para colocação, manutenção e monitoramento, caso sejam distribuídas em toda a extensão da lavoura.

[007] Devido ao fato de tais métodos não localizarem de maneira precisa o foco inicial ou de maior concentração da praga, faz-se necessária a aplicação de defensivos em área total, empregando grande quantidade de inseticida e um alto esforço de pulverização, seja terrestre ou aérea; isto também se deve ao fato de que as atuais formas de monitoramento não identificam o início do foco, e percebe- se a praga quando a área está com alto grau de infestação, muitas vezes com várias gerações dos insetos já desenvolvidas.

[008] Os insetos-pragas causadores de danos diretos ou indiretos em lavouras, muitas vezes têm sua reprodução em progressão geométrica, alcançando níveis de população elevados em curto espaço de tempo, a ponto de exigir muitas intervenções com defensivos e, ainda assim, causar danos irreversíveis. Por exemplo: coleópteros (bicudo-do-algodoeiro e broca-do-café) e lepidópteros (mariposas polífagas ou não que, conforme a espécie, depositam 1300 ovos por noite, resultando em enorme número de lagartas que atacam culturas como milho, soja, café, pêssego, feijão, uva, coco, arroz, etc.).

[009] Prejuízos severos, ainda, são causados por insetos vetores, muitas vezes sugadores que, ao sugar, transmitem vírus ou bactérias, causando danos irreversíveis às plantas e diminuindo a produtividade destas, fazendo-se necessário até a sua erradicação nos piores casos. Exemplos: mosca-branca no feijão ou mamão; tripes em tomate; cigarrinhas em milho, uva, pastagens, bem como psilídeo-dos-citrus.

[0010] A história da humanidade tem vários relatos de dizimação de culturas inteiras em algumas regiões devido ao ataque de pragas. Por exemplo: bicudo-do-algodoeiro dizimou a cultura no nordeste e sudeste do Brasil, inviabilizando o cultivo do algodão em razão de perdas superiores a 70% por dano direto no final dos anos 80 do século passado. O inseto vetor psilídeo-do-citrus reduziu a produtividade da laranja na Flórida (EUA) a apenas 1/4 do original. Há regiões no cinturão citrícola brasileiro onde já está se alcançando um índice de contaminação de 60% das plantas pelo greening, doença causada por bactéria disseminada pelo psilídeo, inviabilizando pomares.

[0011] As atuais formas de identificação das pragas nas lavouras ocorrem de três maneiras, variando conforme as espécies de inseto- praga.

[0012] Armadilhas com feromônios sexuais ou alimentares específicos por espécies. Estas atraem insetos que ficam presos podendo ser, portanto, quantificados. O número de insetos coletados são um indicativo de presença ou ausência ou até mesmo, da gravidade quando os números estão muito expressivos. Ainda assim, é apenas um indicativo, pois não mostra com precisão se toda a área está infestada ou se a praga é mais localizada. Ademais, dado a especificidade dos feromônios, são poucas as espécies para as quais esta tecnologia se encontra disponível.

[0013] Placas adesivas com cores atrativas são utilizados para atrair e quantificar insetos voadores, caso sejam atraídos por determinada cor, geralmente o amarelo. [0014] Monitoramento visual que consiste no caminhamento dos monitores de forma aleatória dentro das lavouras, observando as plantas e quantificando as pragas encontradas. Os intervalos para repassar as áreas são semanais. Nos últimos anos a inovação havida neste setor foi a digitalização da caderneta de campo (os dados anotados são agora inseridos pelo monitor por meio de tablet ou coletor de dados), mas continua sendo essencialmente um processo por amostragem e não traz a informação do que realmente está acontecendo na área como um todo, nem em tempo real, e sim, de acordo com a periodicidade do monitoramento.

[0015] Existem inovações utilizando imagens das áreas produtivas cujos mapas de calor identificam deficiência de nutrientes, plantas daninhas, doenças já instaladas a ponto da planta apresentar sintomas. Poucas pragas poderão ser identificadas por esta metodologia, como por exemplo, folhas comidas/ deformadas por lagartas ou então plantas de laranja amareladas por causa do greening. Nestes dois últimos casos, o radar trará a informação bem antes do dano ser causado, pois assim que a praga entrar na área, já será identificada e, tomando a decisão de controle e atitude, perante uma informação preditiva, diminuindo em muito o aparecimento dos sintomas / danos.

[0016] Os dois primeiros métodos trazem a informação de ausência ou presença na lavoura, tratando-se mais de um indicativo; ademais estão restritos a algumas poucas espécies de insetos. O método mais utilizado para tomada de decisão para aplicação de defensivo é o monitoramento de pragas realizado por técnicos treinados na identificação dos insetos. Todavia, apresentam alguns problemas tais como o fato de a rotatividade de funcionários para este trabalho ser muito alta, necessitando a cada ano um novo treinamento, bem como confiar no trabalho de iniciantes no correto reconhecimento das pragas. As imagens quantificarão os danos já ocorridos, pois não irão identificar a maioria das espécies de pragas, apenas seus danos.

[0017] A avaliação dos insetos e sua quantidade torna-se dependente da qualidade da mão de obra; existe uma tendência da pessoa percorrer a área de forma parecida, não necessariamente onde está localizado um foco da praga. Por outro lado, os intervalos para retornar às áreas para novos monitoramentos são por vezes longos demais e ainda, o número de monitores contratados é geralmente menor do que o ideal.

[0018] Ademais, nas 3 metodologias descritas há necessidade de deslocamento dos profissionais até as áreas afetadas, seja para monitorar a quantidade de insetos ou para trocar o feromônio, tornando o monitoramento custoso e moroso.

[0019] Uma importante função do monitoramento é o de auxiliar na tomada de decisão de se aplicar defensivo ou a soltura de insetos. Todavia, os métodos atuais não permitem uma avaliação da qualidade de controle feito pela aplicação de um defensivo, por exemplo. Assim, se houver erro na qualidade da aplicação, isto acaba não sendo percebido.

[0020] Além dos insetos, culturas agrícolas de importância econômica têm sido prejudicadas por animais predadores de maior porte, como o javali. Este animal exótico tem sua reprodução em progressão geométrica. De hábitos noturnos, anda em bandos causando grandes prejuízos nas lavouras, principalmente de milho. O macho desta espécie percorre 12 km em apenas uma noite. O javali (Sus scrofa) é uma espécie originária da Europa, introduzida no Brasil há muitos anos, e que se tornou asselvajada e fora de controle. Devido aos impactos que já causam, a caça com arma branca ou de fogo é autorizada e concedida por órgãos públicos, conforme Instrução Normativa do Ibama n° 03/2013 . Com a localização identificada por radar, os caçadores poderão ser mais efetivos no abate deste animal. [0021] Um outro exemplo de animal nocivo é o macaco-prego, que vem causando prejuízos em áreas florestais, mais especificamente na produção de pinus.

Objetivos da invenção

[0022] Em vista do exposto, tem a presente invenção o objetivo de proporcionar um método e um sistema destinados a melhorar o monitoramento de pragas para auxílio na tomada de decisão, tornando o controle mais eficaz e realizado no momento correto, otimizando o uso de inseticidas e acaricidas e diminuindo seu impacto sobre o ecossistema.

[0023] Constitui outro objetivo permitir o acompanhamento em tempo real da evolução das populações das pragas em função da aplicação de defensivos ou soltura de insetos macrófagos.

[0024] Constitui outro objetivo prover o monitoramento em tempo real das coordenadas geográficas precisas de áreas infestadas por insetos/ animais predadores em regiões de cultura e/ou florestas.

Descrição resumida da invenção

[0025] Os objetivos acima, bem como outros, são atingidos pela invenção mediante o provimento de um sistema compreendendo um radar centimétrico de pequeno porte, fixo ou transportável por aeronave, de baixo consumo e custo reduzido, com capacidade de alcance desde dezenas de metros até quilômetros de distância.

[0026] De acordo com outra característica da invenção, é provido um método no qual o inseto ou o animal vertebrado é detectado pelo eco do radar e identificado através da análise do espectrograma do sinal Doppler gerado pelo seu deslocamento e batimento de suas asas (no caso de insetos) ou movimento próprio do corpo (no caso de vertebrados).

[0027] De acordo com outra característica, a invenção compreende um método para determinar a assinatura de cada espécie de animal, dita assinatura compreendendo informações referentes ao espectrograma do eco do sinal radar e de informações associadas.

[0028] De acordo com outra característica da invenção, dita assinatura é composta pelo espectrograma do sinal Doppler produzido pelo eco do sinal radar e respectivas informações associadas a um ou mais dentre os padrões correspondentes ao histograma, ao desvio padrão, à curtose, à assimetria (skewness), à entropia e à energia do próprio espectrograma e também do respectivo eco do sinal radar.

[0029] De acordo com outra característica da invenção, a obtenção do eco do sinal radar compreende a iluminação de um inseto por um feixe de radiação de um radar centimétrico e a captação do sinal refletido e o seu tratamento para obtenção do respectivo espectrograma.

[0030] De acordo com outra característica da invenção dita iluminação e captação do sinal refletido são realizados dentro de uma câmara anecoica.

[0031] De acordo com outra característica da invenção, o inseto é retido num recipiente de paredes transparentes às ondas radar.

[0032] De acordo com mais outra característica da invenção, pelo menos uma assinatura associada ao inseto de interesse é utilizada para treinar uma rede neural.

[0033] De acordo com outra característica da invenção, a rede neural treinada é carregada ao radar na forma de software e o radar passa a poder detectar, classificar e estimar a quantidade dos insetos e animais previamente treinados e informar sua respectiva posição em tempo real.

[0034] De acordo com outra característica da invenção, o sistema compreende uma rede neural a qual é treinada por um conjunto de assinaturas, cada qual correspondente a uma determinada espécie de inseto ou animal. [0035] O uso de um grande conjunto de assinaturas para cada espécie de inseto e animal garante a robustez da rede neural no processo de detecção e classificação. A rede neural treinada é carregada ao radar na forma de software e o radar passa a poder detectar, classificar e estimar a quantidade dos insetos e animais previamente treinados e informar sua respectiva posição em tempo real

Descrição das figuras

[0036] As demais características e vantagens da invenção poderão ser melhor entendidas através da descrição de uma concretização exemplificativa e não limitativa e das figuras que a ela se referem, nas quais:

[0037] A figura 1 é um diagrama em blocos do radar utilizado para realizar a aquisição dos dados brutos dos insetos para posterior processamento e respectivo levantamento de assinaturas dos insetos.

[0038] A figura 2 exemplifica a construtividade do aparato usado para acomodar o radar e os insetos visando a aquisição dos dados brutos dos insetos para posterior processamento e respectivo levantamento de assinaturas.

[0039] A figura 3 ilustra o diagrama em blocos correspondente ao processamento dos dados obtidos através do aparato ilustrado na figura anterior, extração das assinaturas dos insetos e treinamento da rede neural.

[0040] A figura 4 é um diagrama em blocos do radar para detecção, classificação, estimação da quantidade e localização de insetos e animais.

[0041] A figura 5 é um diagrama em blocos de processamento dos dados brutos do radar da figura anterior.

[0042] A figura 6 é uma vista superior de uma típica instalação do radar para detecção de insetos numa lavoura.

[0043] A figura 7-a compreende uma vista lateral e a figura 7-b a uma vista superior de um arranjo em campo para detecção de insetos e animais vertebrados numa floresta industrial.

Descrição detalhada da invenção

[0044] Um inseto ou um animal apresenta dois movimentos básicos: o movimento de translação e outro próprio. O movimento translacional é o deslocamento do inseto ou animal ao longo dos 3 eixos. O movimento próprio é o batimento das asas ou movimento das pernas ou do corpo, que podem ser desacoplados (isto é, independentes) de seu movimento translacional. Por exemplo, um inseto em voo pairado tem apenas o movimento próprio e nenhum movimento translacional.

[0045] O radar pode medir os dois movimentos básicos dos insetos ou animais na direção radial, ou seja, a projeção dos movimentos na direção de propagação dos sinais de radar. O movimento translacional é medido através da frequência Doppler. O movimento próprio é medido através do micro-Doppler.

[0046] Por exemplo, se um inseto se deslocar a 0, 1 m/s na direção radial do radar e o radar detectá-lo na banda C com comprimento de onda de 5 cm, o radar irá medir uma frequência Doppler de translação de 4 Hz através da equação PDoppler = 2 * V / À, onde V é a velocidade e À é o comprimento de onda. Porém, se o batimento das asas do inseto atingir uma velocidade de 1 m/s para trás e para frente, projetada na direção radial, as asas irão gerar um micro- Doppler de -40 Hz a +40 Hz. Assim podemos ter um espectro de 80 Hz de largura de banda centrado em 4 Hz. A largura de banda de 80 Hz provém do batimento das asas e os 4 Hz, da translação do inseto.

[0047] Cada inseto apresenta um movimento próprio típico, que pode ser representado pelo espectro da frequência do micro-Doppler. Porém esse movimento se altera com o tempo e disso resulta uma representação com uma série de espectros que é chamada de espectrograma. O espectrograma do micro-Doppler é então um histórico de espectros do micro-Doppler, causado pelo movimento próprio dos insetos ou animais.

[0048] Assim por exemplo, um inseto pode bater asas a 1 m/s e gerar um espectro com largura de banda de 80 Hz, como foi apresentado acima. Porém ele pode aumentar a velocidade de batimento para 1.5 m/s, disso resultando um aumento da largura de banda para 120 Hz, e reduzí-la em seguida para 0.5 m/s, reduzindo a banda para 40 Hz. Ou seja, a banda do micro-Doppler pode variar de largura durante o tempo e é então bem representada pelo espectrograma.

[0049] Além do eco de alta frequência produzido pelo batimento das asas, pode haver um eco de baixa frequência devido ao vôo do inseto dentro do recipiente. Para obter o espectrograma de interesse, é suficiente passar o sinal refletido por um filtro passa altas, o que elimina a influência do vôo do inseto.

[0050] Pode-se ainda adotar outro recurso que consiste em imobilizar o inseto por meio de adesivo, por exemplo.

[0051] Tanto a largura de banda como sua variação no tempo são parâmetros principais para a caracterização do inseto ou animal e estão presentes no espectrograma. Outra informação presente no espectrograma é a intensidade do sinal de retorno do micro-Doppler, que está representado na intensidade das linhas do espectrograma apresentado no gráfico 420 das Figuras 3 e 5.

[0052] O espectrograma é então a informação principal para a detecção e classificação de insetos ou animais. Além da forma do espectrograma, que é distinta e específica para cada inseto ou animal, extrai-se também padroes adicionais da forma do espectrograma, processo chamado de extração de padrões.

[0053] Finalmente uma rede neural é treinada com base no espectrograma e também nos padrões extraídos de sua forma (ou seja, a assinatura do inseto) sendo tal processo chamado de treinamento da rede neural. A rede neural treinada é integrada ao radar e ele passa a conseguir detectar, classificar, estimar sua quantidade e localizar insetos e/ou animais. Esse processo será esclarecido a seguir.

[0054] Para o levantamento da assinatura do inseto ou animal, utiliza-se então um aparato específico compreendendo um radar centimétrico e uma câmera anecoica, apresentado nas Figuras 1 e 2.

[0055] A Fig. 1 apresenta o diagrama em blocos do aparato. O inseto 80 é iluminado pela antena Tx de transmissão do radar 20 e seu sinal refletido é recebido pela antena Rx de recepção do radar 21. O radar gera uma onda pulsada ou contínua 11 que é amplificada pelo amplificador 10 e enviada à antena de transmissão 20. Como a distância entre as antenas 20 e 21 e o inseto 80 é de alguns decímetros, esse radar transmite e recebe simultaneamente e mede apenas as frequências Doppler e Micro-Doppler. Ou seja, a distância ao inseto não precisa ser medida, pois esse arranjo é apenas para levantamento das frequências Doppler e Micro-Doppler, correspondentes ao batimento das asas.

[0056] O sinal refletido pelo inseto 80 é recebido pela antena 21 e amplificado pelo amplificador de baixo ruído 31 e enviado à digitalização e aquisição 40. Para que a medida não sofra interferências, o radar e o insetos ficam dentro de uma câmera anecoica 90 e a fonte de alimentação 70 fica posicionada externamente à câmera anecoica. [0057] A Fig. 2 apresenta um exemplo da montagem física do aparato esquematizado na Figura 1. O radar constituído pelas partes 10, 11, 31 e 40 fica no piso da câmera anecóica 90, que possui camadas absorvedoras de microondas 91 em todos os seus lados. O inseto 80 fica dentro de uma gaiola ou recipiente 93 que fica suspensa e distante do radar pela base 92. Dependendo da dimensão do inseto ou do animal, a câmera anecóica e sua montagem interna podem ter dimensões variadas. Recomenda-se as dimensões externas de 1500 mm na base e 2400 mm de altura da câmera anecóica 90, de 800 mm da base 92 e de 500 mm da gaiola 93 para a maioria dos insetos.

[0058] Para animais vertebrados de grande porte como javalis e macacos-prego recomenda-se que o radar constituído por 10, 11, 31 e 40 ilumine uma gaiola ou área onde os animais se encontram em movimento natural. Nesse caso, o eco a ser tratado corresponde à movimentação dos apêndices (pernas e braços).

[0059] Os dados adquiridos pelo aparato específico para levantamento de assinaturas, apresentado nas Figuras 1 e 2, são processados conforme o diagrama em blocos da Figura 3. A ação de aquisição dos dados brutos do radar, constituído por 10, 11, 31 e 40, que pode durar vários minutos ou, eventualmente, horas, aqui denominada de 410, gera dados brutos onde o respectivo espectrograma é calculado em 420. No exemplo da Figura 3 o inseto apresenta um Micro-Doppler de largura de banda na faixa de 2 a 10 Hz, variando no tempo. Antes e depois dessa fase de movimento o inseto está sem bater as asas, ou seja, a frequência Micro-Doppler é 0.

[0060] Para que o inseto de asas não apresente movimento translacional ou Doppler de baixa frequência, o inseto é fixado pelas pernas dentro da gaiola, de tal forma que ele possa bater asas sem apresentar movimento translacional. Outro recurso é pendurar o inseto por meio de um arame. Em ambos os casos, ele acaba gerando apenas o micro-Doppler e nao o Doppler.

[0061] No caso dos insetos sem asas, eles são colocados dentro de um recipiente plástico de tamanho reduzido dentro da gaiola, de tal forma que eles possam se locomover, porém em uma área limitada. Esse é o caso, por exemplo, do bicudo que se locomove lentamente.

[0062] Outros insetos, como lagartas, podem estar posicionados em uma planta, para que eles tenham um ambiente propício à sua movimentação. O movimento translacional também pode ser considerado nos espectrogramas. A técnica para a manipulação do inseto nessa etapa de captação do eco radar irá depender da espécie e da importância dela no âmbito natural de detecção.

[0063] Em 430 ocorre a extração de padrões do espectrograma como o histograma, a frequência do próprio histórico da frequência Micro- Doppler e de outros padrões como o desvio padrão, curtosis, entropia e energia do espectrograma. Todos esses padrões serão analisados para cada inseto e somente os padrões mais relevantes à detecção e classificação serão selecionados em 440 para a formação da assinatura. Os outros padrões menos significativos serão descartados.

[0064] A rede neural será treinada com as assinaturas selecionadas em 450 e então redes neurais específicas, 460-1 a 460-N, para a detecção e classificação de um inseto ou animal ou de um grupo de insetos ou animais serão geradas.

[0065] Cada rede neural específica, aqui representada como 460-1 a 460-N, foi treinada para um inseto ou animal específico. Para detecção e classificação de vários insetos, deve-se utilizar as respectivas redes neurais treinadas. Cada bloco, aqui representado por 460-1 a 460-N, é materializado por uma rotina de software, que será copiada ao radar operacional 900.

[0066] O radar operacional 900 para detecção e classificação de insetos e/ou animais em campo está apresentado na Fig. 4. O pulso de transmissão 101 é amplificado pelo amplificador 100 e irradiado pela antena de transmissão 200 ao inseto 800. O sinal refletido pelo inseto 800 é captado pelas antenas de recepção 201 e 202 e o sinal amplificado pelos amplificadores 301 e 302 respectivamente. Em seguida 400 executa a digitalização e processamento em tempo real dos sinais amplificados pelos amplificadores 301 e 302. O processamento em tempo real em 400 detecta, classifica e localiza os insetos e/ou animais e transmite essa informação com baixo volume de taxa de dados através do link de transmissão 500 ao sistema de monitoramento remoto 600. Um operador ou um sistema de vigilância recebe a informação de alcance, azimute, tipo de inseto ou animal e a quantidade deles. A informação de alcance e azimute também pode ser convertida em localização, sendo representa em latitude e longitude, por exemplo.

[0067] O sistema para processamento em tempo real 400 do radar operacional 900 está descrito na Fig. 5, que corresponde à utilização do sistema no campo. O diagrama em blocos é muito semelhante ao da Figura 3, o qual representa a sequência de etapas realizadas em laboratório. Neste caso a ou as redes neurais treinadas, 460-1 a 460- M geradas pelo processo da Figura 3 e copiadas ao processamento em tempo real 400, são utilizadas para analisar o sinal adquirido pelo radar operacional 900, através dos subsistemas 411, 420 e 430, pertencentes ao processamento em tempo real 400.

[0068] A Fig. 6 apresenta a instalação do radar operacional 900 em uma lavoura. As antenas 200, 201 e 202 do radar 900 iluminam com uma abertura 901 com ângulo em azimute ou horizontal 0a e ilumina uma área pré-definida da lavoura 910. Os insetos 920 são detectados pelo radar 900 a um alcance R e a um ângulo de azimute a do centro das antenas 200, 201 e 202. O alcance R e o ângulo a podem ser convertidos em latitude e longitude para localizaçao no terreno da lavoura.

[0069] As figuras 7-a e 7-b apresentam o caso de monitoramento simultâneo de insetos e animais, onde insetos e um macaco-prego se encontram em uma floresta industrial. O radar 900 consegue detectar e classificar tanto os insetos como os animais simultaneamente, lembrando que no caso dos animais vertebrados o eco micro- Doppler será produzido pelos movimentos do corpo e dos apêndices (braços e pernas) .

[0070] Se bem que a invenção tenha sido descrita com base numa determinada concretização, fica entendido que, dado o fato dessa concretização ser exemplificativa, modificações poderão ser introduzidas por técnicos no assunto, desde que permanecendo dentro dos limites conceituais da invenção a qual, portanto, é definida e delimitada pelo conjunto de reivindicações que se segue.

[0071] Assim, por exemplo, a etapa de identificação da espécie mediante redes neurais poderá ser substituída por técnicas “fuzzy logic” ou ainda, por máxima verossimilhança.